ABSTRAK
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi langsung maupun menkonversi energi ke dalam bentuk energi lainnya. Proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan kebutuhan listrik sebesar 6,50% pertahun. Biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenik yang terjadi pada material yang dapat terurai secara alami dalam keadaan anaerob. Biogas umumnya terdiri dari gas metan (CH4) antara 50,00-60,00 %, gas karbondioksida (CO2) sebesar 30,00-40,00 %, hidrogen (H2) dan sebagian kecil gas-gas lainnya sebesar 1,00-2,00 %. Limbah agroindustri kelapa sawit berpotensi sebagai bahan baku biogas, tercatat sekitar 13.761.239 ton/tahun tandan buah segar dihasilkan dari perkebunan seluas 4.868.086 Ha. Biogas dapat dikonversi menjadi energi listrik menggunakan genset biogas. Tujuan penelitian ini yaitu mengetahui potensi biogas dari limbah kelapa sawit dan kinerja genset biogas. Produksi biogas proses fermentasi basah dengan bahan baku POME dengan laju pengumpanan 150 liter POME/ hari dan proses fermentasi kering dengan bahan baku TKKS dengan 4 digester masing-masing berisi 20 kg TKKS. Produksi biogas dari fermentasi basah rata-rata 1,91 m3/hari dan dari fermentasi kering rata-rata 0,11 m3/hari. Biogas yang dihasilkan dari kedua proses mengandung 56,48% metana. Kadar H2S dikurangi hingga 96,94% menggunakan biofilter dan hasilnya biogas dengan kadar H2S sebesar 12,91 ppm. Kinerja genset biogas cukup baik dilihat dari pemakaian biogas spesifik hanya sebesar 0,62 liter per watt per jam pada beban 700 watt dan efisiensi termal efektif sebesar 30,00 % pada beban 600 watt.
.
ABSTRACT
STUDY PERFORMANCE BIOGAS GENERATOR 750 WATT CAPACITY WITH FUEL BIOGAS FROM WASTE PALM OIL
By
FADLI MAROTIN
The use of energy is more increasing, either the usage of direct energy or the converting energy into other forms of energy. Projections of electricity needs in 2003-2020 were conducted by a System Planning Department PT PLN (Persero). Moreover, Energy Team BPPT increases in demand at 6.50% per annum. Biogas is a mixture of gases produced by methanogenic bacteria which occur in materials and can be naturally decomposed in the anaerobic state. Biogas is generally composed of 50.00-60.00% methane (CH4), 30.00-40.00% carbon
dioxide (CO2), hydrogen (H2) and a small percent of gases 1.00-2.00%. Potential
oil palm of Agro Industry waste is as a raw material biogas. It is approximated 13,761,239 tons per year of fresh fruit bunches which produced from 4,868,086 hectares. Biogas can be converted into electrical energy by using biogas generators. The purpose of this research is to know the potential of biogas from palm oil waste and biogas of generator works. Wet fermentation process of biogas production was raw materials POME by a feed rate of 150 liters POME per day. Dry fermentation production was a raw materials TKKS by 4 digesters which contains 20 kg of TKKS. The biogas production from wet fermentation is about 1, 91 m3 per day and dry fermentation is about 0.11 m3 per day. The biogas which was produced by both process contains 56, 48% of methane. The amount of H2S is
decreased up to 96, 94% by using bio filter and the result of biogas with amount of H2S is as big as 12, 91 ppm. The works of biogas generator was good enough
which was seen by the use of specific biogas is about 0, 62 liters per watt per hour at load of 700 watt. More than that, the term essential was effective is about 30, 00% at load of 600 watt.
STUDI KINERJA GENSET BIOGAS KAPASITAS 750 WATT DENGAN BAHAN BAKAR BIOGAS DARI LIMBAH KELAPA SAWIT
Oleh
FADLI MAROTIN
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada
Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian Universitas Lampung
FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS LAMPUNG
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Adi Jaya Kecamatan Terbanggi Besar Kabupaten Lampung Tengah pada tanggal 19 Mei 1992, sebagai anak ke-4 dari 4 bersaudara keluarga Bapak Toyibun dan Ibu Muntiah. Penulis Menyelesaikan pendidikan mulai dari pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1 Adi Jaya pada tahun 1998-2004, SMPN 3 Terbanggi Besar pada tahun 2004-2007, SMKN 2 Terbanggi Besar-Lampung Tengah dengan bidang keahlian Teknik Survei Dan Pemetaan pada tahun 2007-2010 dan terdaftar sebagai mahasiswa S1 Teknik Pertanian di Universitas Lampung pada tahun 2010 melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
“
Kupersembahkan karya kecil ini untuk Ayah, Ibu, dan Ketiga
Kakakku yang selalu memberikan dukungan, doa, serta kasih
sayang yang tiada hentinya”
Serta
“Kepada Almamater Tercinta”
Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung
Pengetahuan tidak didapatkan melalui jalan yang mudah. Ketahuilah dalam dirimu ada
dua sisi, guru dan murid. Sang guru akan senantiasa memberimu petunjuk, hanya
bagaimana sang murid dapat memahami petunjuk yang diberikan sang guru. Sering kali
pelajaran tidak disampaikan secara verbal padamu, kau yang mengolahnya sendiri menjadi
pelajaran yang berharga untuk digunakan menghadapi kehidupan
-Ki Hadjar Dewantara-
“
Jika kamu berbuat baik (berarti) kamu berbuat baik untuk dirimusendiri. Dan jika kamu berbuat jahat, maka (kerugian kejahatan) itu
untuk dirimu sendiri”
(QS. Al-isra: 7)
"Pendidikan merupakan perlengkapan paling baik untuk hari tua."
UCAPAN TERIMAKASIH
SANWACANA
Puji syukur penulis haturkan kepada Allah swt. yang tidak pernah berhenti mencurahkan kasih sayang, kesabaran, serta rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Studi Kinerja Genset Biogas Kapasitas 750 Watt Dengan Bahan Bakar Biogas Dari Limbah Kelapa Sawit” merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian (S.TP.) di Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung. Pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Dr. Ir. Agus Haryanto, M.P. selaku ketua jurusan teknik pertanian serta menjadi pembimbing pertama yang telah memberikan arahan, bimbingan dan saran serta kesabaran sehingga terselesaikannya skripsi ini;
2. Ir. M. Zen Kadir, M.T. selaku pembimbing kedua sekaligus pembimbing akademik yang telah memberikan berbagai masukan dan bimbingannya dalam penyelesaian skripsi ini;
3. Dr. Ir. Sugeng Triyono, M.Si. selaku pembahas yang telah memberikan saran dan masukan sebagai perbaikan selama penyusunan skripsi ini;
4. Prof. Dr. Ir. Wan Abbas Zakaria, M.S. selaku dekan Fakultas Pertanian yang telah membantu dalam administrasi skripsi ini;
vii
6. Orang tua ku tercinta, Ibu dan Bapak serta Kakak-kakakku yang tidak henti-hentinya memberikan dukungan baik moril maupun materil serta kasih sayang sehingga menjadi sumber penyemangat dalam penyusunan skripsi ini;
7. Keluarga besar Persatuan Mahasiswa Teknik Pertanian (PERMATEP) Unila;
8. Teman-teman keluarga besar TEP ’10 yang sangat saya banggakan, terima kasih atas keceriaan dan doanya;
9. Dr. Ir. Udin Hasanudin, M.S. selaku kepala laboratorium Pengelolaan Limbah Agroindustri di Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung yang telah mengizinkan dan mendukung penelitian ini;
10. Mas joko dan teman-teman yang ada di laboratorium pengelolaan limbah agroindustri; Mba Amel, Widya, Uul, Ica, Mia, Kak Egi, Bili yang telah mendukung dan membantu berjalannya penelitian ini
viii
Penyusun menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu dengan segala kerendahan hati penulis harapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun kearah perbaikan. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat untuk kita semua.
Bandar Lampung, 30 Mei 2015 Penulis,
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 3
1.3 Manfaat Penelitian ... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Konsumsi Energi Listrik ... 5
2.2 Limbah Industri Kelapa Sawit ... 7
2.2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit ... 7
2.2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS) ... 9
2.3 Biogas ... 10
2.4 Fermentasi Bahan Organik ... 15
2.4.1 Fermentasi Basah ... 15
2.4.2 Fermentasi Kering ... 15
2.5 Pemanfaatan Biogas ... 17
x
2.7 Genset Biogas ... 21
III. METODOLOGI PENELITIAN ... 23
DAFTAR TABEL
Halaman
1. Kandungan Tandan Kosong Kelapa Sawit ... 9
2. Komposisi Biogas Secara Umum... 14
3. Perbedaan Fermentasi Kering Dan Fermentasi Basah ... 17
4. Teknologi Pemanfaatan Biogas Dan Persyaratan Pengolahan Gas ... 18
5. Perbandingan Jumlah Udara Dan Jumlah Bahan Bakar Untuk Pembakaran Sempurna ... 21
6. Kandungan Gas Pada Biogas Dari Limbah Pabrik Kelapa Sawit ... 31
7. Kadar H2S Sebelum Dan Sesudah Dimurnikan Dengan Biofilter ... 32
8. Data Seluruh Percobaan Dalam Penelitian ... 37
9. Kadar Hudrogen Sulfur (H2S) ... 50
10. Pemakaian Bahan Bakar (Biogas)Spesifik... 51
11. Efisiensi Termal Efektif ... 52
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor di Indonesia 2003-2020
(Permana, 2003) ... 6
2. Kapasitas Terpasang (Statistik PLN, 2013) ... 7
3. Persentase Produk Limbah Kelapa Sawit Terhadap Tandan Buah ... 8
4. Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas Und Bioenergie Konpetenzzentrum, 2007) ... 16
5. Skema Sistem Instalasi Dari Produksi Biogas Hingga Genset ... 24
6. Diagram Alir Penelitian ... 25
7. Skema Pengukuran Arus Listrik Menggunakan Tang Meter ... 28
8. Skema Pengukuran Voltase Menggunakan Multimeter ... 28
9. Pemakaian Bahan Bakar (Biogas) Spesifik... 33
10. Efisiensi Termal Efektif ... 34
11. Kesesuaian Daya Yang Dihasilkan ... 38
12. Digester Fermentasi Basah Sistem Kontinyu ... 44
13. Digester Fermentasi Kering ... 44
14. Biofilter ... 45
15. Water Trap ... 45
xiii
17. Hasil Pengukuran H2S Dari Fermentasi Kering ... 46
18. Pengisian Bantal Penampung Biogas ... 47
19. Genset Biogas ... 47
20. Pengukuran Arus Listrik (Ampere) ... 48
21. Pengnukuran Voltase (Volt) ... 48
22. Flowmeter Yang Dipasang Untuk Mengetahui Konsumsi Biogas ... 49
23. Beban Lampu Pijar 200 Watt ... 49
24. Spesifikasi Genset Biogas ... 56
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Akhir dekade ini penggunaan energi semakin meningkat, baik penggunaan energi secara langsung maupun mengkonversi suatu energi ke dalam bentuk energi lain dengan tujuan memudahkan kegiatan manusia.Ini mengakibatkan penggunaan energi secara besar-besaran, sedangkan sumber energi yang selama ini kita gunakan sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil yang jumlahnya semakin lama semakin berkurang. Tingginya permintaan akan energi memaksa untuk mumunculkan pemikiran-pemikiran akan energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang banyak dikembangkan yaitu biogas karena mudah didapat dan mudah diperbaharui.
2
bermanfaat untuk memenuhi kebutuhan manusia akan bahan bakar. Biogas juga dapat memberikan nilai tambah terhadap limbah-limbah organik yang tidak termanfaatkan dengan mengolahnya menjadi gas yang dapat dimanfaatkan untuk memasak. Selain itu produksi biogas juga memiliki hasil samping berupa endapan (sludge) yang dapat dijadikan pupuk organik (Wahyuni, 2013). Bahan-bahan organik yang dapat diurai menjadi biogas adalah sebagai berikut:
1. Limbah tanaman seperti pada tanaman tebu, rumput-rumputan, jagung, gandum, jerami dan lain-lain
2. Limbah hasil produksi seprti minyak, ampas tebu, penggilingan padi, san limbah sagu
3. Limbah agroindustri
4. Limbah perairan seperti alga laut dan tanaman air
5. Limbah peternakan seperti kotoran sapi, kotoran kerbau, kotoran kambing, kotoran unggas, dan lain-lain.
3
Konsumsi energi yang sebagian besar dari bahan bakar fosil digunakan dalam bentuk energi listrik maupun untuk menggerakkan mesin-mesin produksi. Penggunaaa energi yang paling sering digunakan yaitu setelah dalam bentuk energi listrik. Karena energi listrik paling mudah untuk di konversi kedalam bentuk energi lainnya seperti energi gerak, energi panas dan sebagainya. Dari hasil proyeksi kebutuhan listrik dari tahun 2003-2020 yang dilakukan Dinas Perencanaan Sistem PT PLN (Persero) dan Tim Energi BPPT terjadi kenaikan kebutuhan listrik sebesar 6,50% /tahun.
Biogas yang digunakan sebagai salah satu sumber energi alternatif berwujud gas yang mudah terbakar, yaitu sebagian besar gas yg terkandung di dalamnya yaitu gas metan (CH4). Hal tersebut perlu adanya konversi energi dari biogas (yang lebih sering dimanfaatkan hanya sebagai energi kalor atau pemanas) menjadi energi listrik. Salah satu yang dapat dilakukan yaitu membuat alat pengkonversi biogas ke listrik sekala kecil. Konversi biogas ke listrik tersebut menggunakan genset yg dimodifikasi agar dapat dijalankan menggunakan bahan bakar biogas yang sebelumnya dimurnikan dengan biofilter. Hal tersebut yang melatarbelakangi dilakukan pengkajian alat ini dengan biogas yang dihasilkan dari limbah agroindustri kelapa sawit yaitu limbah cair pabrik kelapa sawit/ pome dan limbah keringnya berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS).
1.2 Tujan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk:
4
2. Mengetahui kinerja alat konversi biogas ke listrik sekala kecil dengan
biofilter sebagai penyaring gas H2S
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapat dari penelitian ini yaitu:
1. Pemanfaatan limbah kelapa sawit (POME dan TKKS) sebagai sumber energi alternatif berupa biogas
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Konsumsi Energi Listrik
Listrik sudah menjadi kebutuhan wajib bagi masyarakat, pasalnya hampir semua peralatan yang memudahkan manusia dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan energi listrik untuk menjalankanya. Pertumbuhan penduduk di Indonesia diiringi juga dengan meningkatnya konsumsi energi listrik, tercatat di akhir Tahun 2013 jumlah pelanggan listrik PLN mencapai 53.996.208 pelanggan, meningkat sebesar 8,44% dari akhir tahun 2012. Dan Harga jual listrik rata-rata per kWh selama tahun 2013 sebesar Rp 818,41 lebih tinggi dari tahun sebelumnya sebesar Rp 728,32 (Statistik PLN, 2013).
6
rumah tangga laju pertumbuhan kebutuhan listrik yang tinggi dipicu oleh ratio elektrifikasi dari berbagai daerah yang masih relatif rendah, karena sampai tahun 2003 masih ada beberapa wilayah di Indonesia yang belum terlistriki terutama di daerah yang tidak dilewati listrik PLN. Besarnya kebutuhan listrik masing-masing sektor pengguna energi di 22 wilayah pemasaran PLN di Indonesia secara akumulasi dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Proyeksi Kebutuhan Listrik Persektor Di Indonesia Tahun 2003-2020 (Permana, 2003)
Menurut Permana (2013), Total kebutuhan listrik di Indonesia merupakan akumulasi dari kebutuhan listrik pada masing-masing sektor pengguna energi di 22 wilayah pemasaran listrik PLN, dan selama kurun waktu 17 tahun (2003-2020) diperkirakan tumbuh sebesar 6,50% per tahun. Untuk wilayah lampung sendiri masih defisit listrik sekitar 100-150 Megawatt, dan bergantung pada suplai dari jalur utara yakni dari Baturaja menuju Kota Bumi, Lampung Utara (PT. PLN, 2013).
7
dapat dilihat pada Gambar 2. Jumlah kapasitas terpasang seharusnya semakin besar mengingat kebutuhan listrik semakin meningkat.
Gambar 2. Kapasitas terpasang (Statistik PLN, 2013)
Dari grafik tersebut terlihat kapasitas terpasang dari unit pembangkit listrik PLTD, PLTMG, PLT Surya, PLT Angin termasuk kecil yaitu 2856,15 Mega Watt dari total kapasitas yang terpasang 34205,63 Mega Watt. Pengembangan di unit pembangkit tersebut dapat dilakukan untuk memperbesar kapasitas terpasang nantinya. PLTMG (Pembangkit Listrik Tenaga Mesin Gas) merupakan salah satunya yang dapat dikembangkan untuk menambah kapasitas energi listrikyang terpasang.
2.2 Limbah industri kelapa sawit
2.2.1 Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit
8
pencucian pabrik. POME mengandung berbagai senyawa terlarut termasuk, serat-serat pendek, hemiselulosa dan turunannya, protein, asam organik bebas dan campuran mineral-mineral. Dari satu ton tandan buah segar yang diproses pada pabrik kelapa sawit diperoleh sekitar 28% POME, persentase dihitung terhadab tandan buah segar (basis kering) yang dapat dilihat pada Gambar 3 (Abdullah dan Sulaiman dalam Nur, 2014). Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit/ POME ini umumnya berwarna kecoklatan, mengandung padatan terlarut dan tersuspensi berupa koloid dan residu minyak dengan BOD (Biological Oxygen Demand) dan COD (Chemical Oxygen Demand) yang tinggi.
Gambar 3. Persentase produk limbah kelapa sawit terhadap tandan buah segar (basis kering)
9
maka dapat menjadi salah satu penyebab pemanasan global karena gas metan dan karbon dioksida yang dilepaskanadalah termasuk gas rumah kaca yang disebut-sebut sebagai sumber pemanasan global saat ini. Emisi gas metan 21 kali lebih berbahaya dari CO
2 dan metan merupakan salah satu penyumbang gas rumah kaca terbesar.
2.2.2 Tandan Kosong Kelapa Sawit (TKKS)
Tandan kosong kelapa sawit merupakan limbah padat lignoselulosa industri kelapa sawit. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) diperoleh setelah Tandan Buah Segar dimasak pada tabung bertekanan untuk mendapatkan minyak dalam sebuah proses yang disebut sterilisasi Ketersediaannya dapat dikatakan melimpah di Indonesia, untuk setiap ton tandan buah segar diperoleh sekitar 230 kg TKKS (Nur, 2014). Jika dilihat dari fisiknya tandan kosong kelapa sawit berupa serat-serat dengan komposisi sellulosa, himesellulosa, dan lignin. Komposisi kandungan tandan kosong kelapa sawit dapat dilihat di Tabel 1.
Tabel 1. Kandungan tandan kosong kelapa sawit (Sudiyani, 2009)
Komponen % Berat
Sellulosa 41,30-46,50
Himesellulosa 25,30-33,80
Lignin 27,60-32,50
10
2.3 Biogas
Menurut Simamora (2006) bahwa biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan suatu gas yang sebagian besar merupakan metan dan karbon dioksida dan proses dekomposisi anaerobik dibantu oleh sejumlah mikroorganisme, terutama bakteri metan. Hambali (2007) menyatakan bahwa biogas didefinisikan sebagai gas yang dilepaskan jika bahan-bahan organik (seperti, kotoran ternak, kotoran manusia, jerami, sekam dan daun-daun hasil sortiran sayuran) difermentasikan atau mengalami proses metanisasi. Wahyuni (2013) juga menyatakan bahwa biogas adalah campuran gas yang dihasilkan oleh bakteri metanogenikyang terjadi pada material-material yang dapat terurai secara alami dalam kondisi anaerobik. Biogas merupakan gas yang timbul dari hasil fermentasi bahan-bahan organik seperti, kotoran hewan, kotoran manusia, atau sampah direndam di dalam air dan disimpan di dalam tempat yang tertutup atau anaerob. Biogas tersebut sebenarnya dapat juga terjadi pada kondisi alami, namun untuk mempercepat dan menampung gas ini, maka diperlukan alat yang memenuhi syarat terbentuknya gas ini yaitu digester (Setiawan, 2007). Demikian juga dengan Said (2008) menyatakan bahwa biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan biologis atau organik oleh organisme kecil pada kondisi tanpa oksigen (anaerob).
11
keluar pada selang waktu tertentu, lama waktu bahan baku selama dalam reaktor disebut waktu retensi hidrolik atau HRT (Hydraulic Retention Time).
Biogas menurut kharakteristik fisik merupakan gas. Karena itu, proses pembentukannya membutuhkan ruangan dalam kondisi kedap atau tertutup agar stabil. Pada prinsipnya biogas terbentuk melalui beberapa proses yang berlangsung dalam ruang yang anaerob atau tanpa oksigen. Proses berlangsung secara anaerob dalam tempat tertutup ini juga memberikan keuntungan secara ekologi karena tidak menimbulkan bau yang menyebar kemana-mana.
Berikut mekanisme pembentukan biogas secara umum.
Bahan organik CH4 + CO2 + H2 + NH3 ...(1)
Apabila diuraikan dengan terperinci, secara keseluruhan terdapat tiga proses utama dalam pembentukan biogas, yaitu proses hidrolisis, pengasaman (asidifikasi), dan metanogenesis. Keseluruhan proses ini tidak terlepas dari bantuan mikroorganisme anaerob.
Hidrolisis
12
hidrokarbon lainnya. Senyawa ini akan dimanfaatkan mikroorganisme sebagai sumber energi untuk aktivitas fermentasi
(C6H10O5)n + nH2O n(C6H12O6) ...(2)
Asidifikasi
Senyawa-senyawa yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan dijadikan sumber energi bagi mikroorganisme untuk tahap selanjutnya, yaitu pengasaman atau asidifikasi. Ada tahap ini, bakteri akan menghasilkan senyawa –senyawa asam organik seperti asam asetat, asam propionat, asam butirat, dan asam laktat beserta produk sampingan berupa alkohol, CO2, hidrogen dan zat amonia.
C6H12O6 2CH3CHOHCOOH ...(3)
Hidrogen sulfida (H2S) dihasilkan oleh bakteri pengurai sulfat. Bakteri pengurai sulfat tumbuh dalam digester dan menggunakan asetat atau propionat asam untuk menghasilkan H2S. Langkah ini terjadi secara bersamaan dengan produksi metana (Truong, 2005). Reaksi yang menghasilkan H2S dapat dilihat di bawah ini (Vavilin, 1993) :
13
Metanogenesis
Bakteri metanogen seperti methanococus, methanosarcina, dan methano bactherium akan mengubah produk lanjutan dari tahap pengasaman menjadi gas metan, karbondioksida, dan air yang merupakan komponen penyusun biogas. berikut reksi perombakan yang dapat terjadi pada tahap metanogenesis (Wahyuni, 2013).
14
gas yang menimbulkan efek rumah kaca yang menyebabkan fenomena pemanasan global. Hal ini karena gas metana memiliki dampak 21 kali lebih tinggi dibandingkan gas karbondioksida (CO2). Pengurangan gas metana secara lokal dapat berperan positif dalam upaya mengatasi masalah global, terutama efek rumah kaca yang berakibat pada perubahan iklim global. Komposisi penyusun biogas dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi Biogas Secara Umum (Wahyuni, 2013)
Gas % volume
Metan (CH4) 50,00-60,00
Karbon Dioksida (CO2) 30,00-40,00
O2, H2, dan H2S 1,00-2,00
15
2.4 Fermentasi Bahan Organik
2.4.1 Fermentasi basah
Fermentasi basah adalah fermentasi bahan organik dengan keadaan kadar air tinggi (lebih dari 75%) dan membutuhkan pengecilan ukuran bahan organik hingga menyerupai bubur. Sebelum dimasukkan kedalam digester dilakukan pengecilan ukuran dan penambahan air hingga menyerupai bubur. Hal tersebut bertujuan agar bahan isian mencapai kadar air dan rasio C/N yang diinginkan. Digester merupakan tempat terjadinya proses dekomposisi bahan-bahan organik isian yang berupa tabung kedap udara dan buangan proses dapat dikeluarkan. Digester bermacam-macam sesuai dengan jenis bahan isian temperatur yang diharapkan dan bahan konstruksi. Digester dapat terbuat dari plastik, cor beton, baja, bata dan fiberglass dan bentuknya pun beragam, ada juga yg diletakkan di bawah tanah (Haryati, 2006).
Berdasarkan aliran bahan baku, reaktor biogas (digester) dibedakan menjadi : 1. Bak (batch) – Pada tipe ini, bahan baku reaktor ditempatkan di dalam wadah (ruang tertentu) dari awal hingga selesainya proses digesti. Umumnya digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik.
2. Mengalir (continuous) – Untuk tipe ini, aliran bahan baku masuk dan residu keluar pada selang waktu tertentu. Lama bahan baku selama dalam reaktor disebut waktu retensi hidrolik atau HRT.
2.4.2 Fermentasi kering
16
mememrlukan digester kedap udara agar proses pencernaaan anaerobik dapat berlangsung dengan optimal dan menghasilkan biogas. Proses fermentasi kering atau dry fermentation ini tidak memerlukan kadar air tinggi pada bahan isiannya (konsentrasi bahan kering lebih dari 20,00%) dan tidak memerlukan pembuburan pada bahan isian sebelum di masukkan ke dalam digester (Chen, 2013).
Ciri-ciri utama fermentasi kering adalah adanya pengabutan atau penyemprotan sumber bakteri atau inokulum yang dipaparkan ke bahan isian yang terdapat di dalam digesterkedap udara sehingga proses pencernaan anaerobik tetap dapat berlangsung. Skema fungsi prinsip fermentasi kering dapat dilihat di Gambar 3.
Gambar 4. Skema Fungsi Prinsip Fermentasi Kering (Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum, 2007)
17
Tabel 3. Perbedaan fermentasi kering dan fermentasi basah (Prabhakar, 2005)
Fermentasi Kering Fermentasi Basah
Membutuhkan sedikit air Membutuhkan banyak air
Tidak bebas-mengalir Bebas mengalir
Lebih memperhatikan kedalaman Lebih memperhatikan wilayah Substrat padat tunggal menyediakan C,
N2, mineral dan energy
Rasio inokulum besar Rasio inokulum rendah
Resistensi partikel Intra Tidak ada resistansi Sel bakteri dan ragi berada pada padatan
dan tumbuh
Tersebar secara merata
Produk dengan konsentrasi tinggi Produk dengan konsentrasi rendah
2.5 Pemanfaatan Biogas
18
terkandung dalam biogas yang digunakan. Aplikasi biogas stasioner umumnya memiliki persyaratan pengolahan gas yang lebih sedikit. Untuk mengetahui macam-macam pemanfaatan biogas dan persyaratan yang dibutuhkan dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Teknologi Pemanfaatan Biogas dan Persyaratan Pengolahan Gas (Zicari, 2003)
Teknologi Persyaratan Pengolahan Rekomendasi Gas
Pemanas (Boiler) H2S <1000 ppm, 0,8-2,5 tekanan kPa, menghapus kondensat (kompor dapur: H2S <10 ppm)
Internal Combustion Engines
H2S <100 ppm, 0,8-2,5 tekanan kPar, menghapus kondensat, hapus siloksan (Otto mesin siklus lebih rentan terhadap H2S daripada mesin diesel)
Turbin Mikro H2S toleran terhadap 70.000 ppm,> 350 BTU / scf, 520 tekanan kPa, menghapus kondensat, hapus siloxanes Sel Bahan Bakar ( Fuel
Cells)
PEM: CO <10 ppm, hapus H2S
PAFC: H2S <20 ppm, CO <10 ppm, Halogen <4 ppm MCFC: H2S <10 ppm dalam bahan bakar (H2S <0,5 ppm untuk stack), Halogen <1 ppm
SOFC: H2S <1 ppm, Halogen <1 ppm
Mesin Stirling Mirip dengan boiler untuk H2S, 1-14 tekanan kPa Peningkatan Gas Alam
(Natural Gas Upgrade)
H2S <4 ppm, CH4> 95%, Volume CO2 <2%, H2O <(1 * 10-4) kg / MMscf, menghapus siloksan dan
partikulat,> 3000 tekanan kPa
19
Meskipun tidak tercakup dalam penelitian ini, teknik untuk menghilangkan CO2 juga sekaligus mengurangi tingkat H2S. Banyak fasilitas di Eropa telah memanfaatkan menggosok air, polietilen glikol menggosok, karbon molekul-saringan atau membran untuk peningkatan biogas untuk gas alam atau bahan bakar kendaraan.
2.6 Proses Pemurnian Biogas
Biogas mengandung unsur-unsur yang tidak bermanfaat untuk pembakaran khususnya H2O dan H2S. Pengurangan kadar H2O yang sederhana dilakukan dengan cara melewatkan biogas pada suatu kolom yang terdiri dari silika gel. H2O akan diserap oleh silika gel. Sedangkan pemurnian biogas dari unsur H2S dapat dilakukan dengan teknik absorbsi. Absorbsi adalah pemisahan suatu gas tertentu dari campuran gas-gas dengan cara pemindahan massa ke dalam suatu liquid. Hal ini dilakukan dengan cara mengantarkan aliran gas dengan liquid yang mempunyai selektivitas pelarut yang berbeda dari gas yang akan dipisahkannya. Untuk absorbsi kimia, transfer massanya dilakukan dengan bantuan reaksi kimia. Suatu pelarut kimia yang berfungsi sebagai absorben akan bereaksi dengan gas asam (CO2 dan H2S) menjadi senyawa lain, sehingga gas alam yang dihasilkan sudah tidak lagi mengandung gas asam yang biasanya akan mencemari lingkungan apabila ikut terbakar. Secara umum penghilangan (pengurangan) H2S dari biogas dapat dilakukan secara fisika, kimia, atau biologi (Zicari, 2003).
20
absorben sulit diregenerasi dan pengurangan H2S rendah serta masih berupa larutan dan gas yang dibuang di lingkungan (Zicari, 2003). Pemurnian dengan cara biologi dengan menggunakan bakteri yang menguraikan H2S menjadi sulfat. Metode ini efektif untuk mereduksi kandungan H2S dalam biogas, tetapi metode ini selain sulit dalam pengoperasiannya juga sangat mahal. Pemurnian biogas dari kandungan H2S yang sering dilakukan adalah diserap secara kimiawi. Pada metode ini H2S diserap secara kimiawi (bereaksi secara kimia) oleh larutan absorben. Selanjutnya absorben yang kaya H2S diregenerasi untuk melepas kembali H2S-nya dalam bentuk gas atau sulfur padat (Kohl, 1985). Absorben yang lain adalah larutan nitrit, larutan garam alkali, slurry besi oksida atau seng oksida dan iron chelated solution (Zicari, 2003). Absorben yang banyak digunakan di Industry adalah MEA (Methyl Ethanol Amine). Absorben menggunakan MEA sangat efektif mengurangi kandungan sulfur dari gas, tetapi H2S yang diserap selanjutnya dibuang ke udara saat regenerasi MEA. Hal ini tentu mencemari udara dan hanya sesuai untuk pengolahan gas dengan kandungan sulfur yang kecil.
Selain itu larutan MEA korosif sehingga perlu peralatan proses yang tahan korosi. Absorbsi H2S menggunakan absorben larutan nitrit, larutan garam alkali atau
21
atau paling tidak berupa residu yang mudah dan aman dalam pembuangannya sehingga tidak mencemari lingkungan. Istilah chelated pada absorben ini adalah senyawa kimia dalam bentuk cincin heterosiklis yang mengandung ion logam yang terikat secara koordinatif oleh minimal dua ion non metal. Chelated agent
yang biasa digunakan adalah EDTA (Ethylene Diamine Tetra Acetate). Iron chelated solution dibuat dengan melarutkan senyawa garam besi (misal FeCl2) ke dalam larutan EDTA (Horikawa, 2004).
2.7 Genset Biogas
Genset biogas merupakan motor bakar 4 langkah (motor bensin) yang dimodifikasi agar dapat menggunakan bahan bakar biaogas. Modifikasi dasar adalah merubah campuran udara dan bahan bakar di dalam karburasi yang awalnya campuran udara dengan bensin diganti dengan campuran udara dan biogas. Perbandingan massa udara dan massa bahan bakar untuk pembakaran sempurna dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Perbandingan jumlah udara dan jumlah bahan bakar untuk pembakaran sempurna (Suyitno, 2009)
22
III. METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan Oktober sampai Desember 2014 di laboratorium Pengelolaan Limbah Agroindustri di Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung.
3.2 Alat dan Bahan
Alat yang digunakan pada penelitian ini yaitu digester biogas (fermentasi basah dan fermentasi kering), Biofilter, flow meter, termometer digital, timbangan, pompa air, gelas ukur, gas tech, penampung biogas, genset biogas kapasitas 750 watt, multimeter, stop watch, tangmeter, cutter, gunting, gergaji, bor listrik, pelubang, kunci pass dan alat tulis sedangakan
24
Keterangan: 1 : Tandon Limbah POME 5 : Water Trap
2 : Digester Biogas Fermentasi Basah 6 : Flow Meter untuk mengukur produksi gas kapasitas 5000 liter (isi ± 4000 liter) 7 : Penampung Biogas
3 : Digester Biogas Fermentasi Kering 8 : Genset Biogas
4 : Biofilter/ H2S Scraber 9 : Beban pemakaian genset
Gambar 1. Skema sistem instalasi dari produksi biogas hingga genset 1
2
3
4
7
25
3.3 Prosedur Penelitian
Secara umum prosedur penelitian dapat dilihat pada diagram alir berikut:
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian
Gas melalui biofilter dan diukur kadar H2S
26
3.3.1 Persiapan Digester dan Biofilter
1. Digester untuk fermentasi basah (wet fermentation) dengan tipe Mengalir
(continuous) sudah tersedia di laboratorium Pengelolaan Limbah Agroindustri Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Lampung
2. Untuk digester fermentasi kering dibuat, dirangkai dan pemasangan instalasi dilakukan di laboratorium penanganan limbah jurusan teknologi hasil pertanian fakultas pertanian universitas lampung.
3. Biofilter dibuat dari bahan fiberglass menyerupai digester fermentasi kering. Isi dari biofilter tersebut yaitu batu, ijuk, dan kompos. Biofilter tersebut berguna untuk mengurangi kadar H2S yang terkandung dalam biogas.
3.4 Metode Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan produksi biogas dengan sistem basah dan kering Untuk produksi biogas dengan fermentasi basah menggunakan tipe
mengalir (continuous) dengan bahan baku POME.
Untuk produksi biogas dengan fermentasi kering menggunakan bahan baku berupa TKKS dengan inokulum sludge dari fermentasi basah (sisa dari fermentasi POME)
Penghitungan daya yang dihasilkan genset dengan bahan bakar biogas dari limbah pabrik kelapa sawit yang dimurnikan menggunakan biofilter
27
3.5 Parameter Pengukuran
Parameter yang diukur atau dinilai pada penelitian ini ada beberapa bagian yaitu sebagai berikut:
3.5.1 Produksi Gas
Produksi gas yang diukur pada penelitian ini dibagi menjadi dua yaitu produksi gas pada fermentasi basah dan pada fermentasi kering. Pengukuran produksi gas ini menggunakan alat yaitu flow meter.
3.5.2 Kadar Hidrogen Sulfida (H2S)
Kadar H2S yang terkandung dalam gas yang dihasilkan diukur ketika gas sebelum melewati biofilter dan sesudah melewatinya untuk mengetahui efektifitas dari
biofilter tersebut. Dan pengukuran kadar H2S menggunakan alat yang disebut Gas Tech.
3.5.3 Daya yang dihasilkan
Pengukuran daya ini dilakukan untuk mengetahui daya yang mampu dihasilkan dari rangkaian alat konversi listrik sekala kecil dengan memamfaatkan limbah industri kelapa sawit sebagai sumber biogas. Pengukuran dilakukan dengan cara sebagai berikut;
Mengukur tegangan yang dihasilkan genset (volt) Mengukur arus yang dihasilkan dari genset (ampere) Mengukur lamanya jenzet dapat beroprasi (jam) Mengkur daya yang dihasilkan
28
P= V x I ...(18)
Ket: P: daya yang dihasilkan (W) V: voltase yang dihasilkan (volt) I: arus yang dihasilkan (ampere)
Pengukuran arus listrik yang dihasilkan oleh genset ini menggunakan tangmeter dan pengukuran voltase menggunakan multimeter. Skema pengukuran arus dan tegangan listrik yang dihasilkan dari genset ini dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Gambar 3. Skema pengukuran arus listrik menggunakan tang meter
29
3.5.4 Pemakaian Bahan Bakar Spesifik
Pemakaian biogas yang digunakan untuk genset per satuan energi (daya) yang dihasilkan. Banyaknya biogas diukur menggunakan flow meter, dengan cara biogas dialirkan melalui flow meter sebelum masuk genset. Pemakaian bahan bakar spesifik dapat dihitung dengan:
�= G
P ...(19)
Dimana:
B : pemakaian bahan bakar spesifik ( L/Jam.W ) G : jumlah bahan bakar yang digunakan ( L/Jam ) P : beban daya yang digunakan ( W )
3.5.5 Efisiensi Termal
Menyatakan efisiensi pemanfaatan panas dari bahan bakar untuk diubah menjadi
tenaga berguna. Besar efisiensi total dapat dihitung dengan :
ɳ
=
V.I.tQ.Ne
x 100%
...(20)
dimana:
ɳ
:
efisiensi termal efektif ( % )V : Tegangan ( V )
I : arus listrik ( ampere )
t : waktu operasi ( detik )
Q : jumlah biogas yang dipergunakan ( L )
V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1 Simpulan
Dari penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal berikut: 1. Total biogas yang dihasilkan adalah 2,02 m3/ hari, dihasilkan dari
fermentasi basah yaitu rata-rata 1,91 m3/hari atau 0,48 x 10-3 m3 biogas per liter POME dan dari fermentasi kering rata-rata menghasilkan 0,111 m3/ hari.
2. Pemakaian biogas spesifik semakin rendah seiring semakin besar beban sedangkan efisiensi termal efektif semakin tinggi seiring semakin besar besar.
3. Genset yang di uji bekerja cukup baik dengan bahan bakar biogas dengan kandungan metana 56,48 % dilihat dari konsumsi biogas spesifik sebesar 0,62 liter per watt per jam pada beban 700 wat dan efisiensi termal efektif sebesar 30,00 % pada beban 600 watt.
5.2 Saran
1. Perlu dilakukan penelitian lanjutan mengenai pengaruh tekanan input bahan bakar (biogas) yang masuk ke genset dengan kinerja genset
DAFTAR PUSTAKA
Badan Pusat Statistik. 2013. Statistik Kelapa Sawit Indonesia 2012. www.bps.go.id. akses 28 oktober 2014.
Chen, H. 2013. Modern Solid State Fermentation Theory And Practice. Dordrecht. Springer. 324 Hal.
Deublein, D. dan A, Steinhauser. 2008. Biogas from Waste and Renewable Resource, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ,Weinheim. 443 Hal. Hambali, E., S. Mudjalipah., A.H. Tambunan., A.W. Pattiwiri. dan R. Hendroko.
2007. Teknologi Bioenergi. Jakarta Selatan. Agro Media. 110 Hal.
Haryati, T. 2006. Biogas Limbah Peternakan Yang Menjadi Sumber Energi Alternatif. Wartazoa. Vol. 16 : 160-169.
Horikawa, M.S. 2004. Chemical Absorbtion of H2S for Biogas Purification, Brazilian Journal of Chemical Engineering. Vol. 21 (3): 415 – 422
Kohl, A.L. dan F.C. Riesenfeld. 1985. Gas Purification, 5th ed.Texas. Gulf
Nur, M Syukri. 2014. Karakteristik Kelapa Sawit Sebagai Bahan Baku Bioenergi. Bogor: PT. Insan Fajar Nusantara Mandiri.
Prabhakar, A., K, Krishnaiah., J, Janaun. dan A, Bono. 2005. An overview of Engineering Aspects of Solid State Fermentation. Malaysian Journal of Microbiology, Vol 1(2): 10-16
PT. PLN (Persero).2013. Statistik PLN 2013. Jakarta. Sekretariat PT. PLN(Persero).
42
Setiawan, A.I. 2007. Pemanfaatan Kotoran Ternak. Edisi Revisi. Jakarata. Penebar Swadaya. 82 Hal.
Simamora, S. Salundik., S. Sri., Surajuddin. 2006. Membuat Biogas Pengganti Bahan Bakar Minyak dan Gas dari Kotoran Ternak. Jakarta. AgroMedia Pustaka. 52 Hal
Sudiyani, Y.K., C. Senbiring., H. Hendarsyah, dan S. Alawiyah. 2010. Pengolahan awal dengan basa NaOH dan Sakarifikasi Enzimatis serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) untuk produksi etanol. Menara Perkebunan. Vol. 78 : 70-74
Suyitno. 2009. Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBio) yang Dilengkapi dengan Kompresi Biogas. Jawa Tengah.Balitbang.
Syamsudin, M / PT. PLN (Persero).2013. Lampung Krisis Listrik. www.bisnis.com. Akses: 24 september 2014.
Truong, A. L. V., N, Abatzoglou. 2005. A H2S Rective Adsorption Process For The Purification Of Biogas Prior To Its Use A Bioenergy Vector. Biomass and Bioenergy, Vol 29: 142-151
Vavilin, V. A., V. B, Vasiliev., A. V, Ponomarev. dan S. V, Rytow. 1993. Simulation Model Methane As A Tool For Efektive Biogas Production During Anaerobic Conversion Complex Organic Matter. Bioresource Technology, Vol 48: 1-8
Wahyuni, S. 2013. Panduan Praktis Biogas. Jakarta: Penebar Swadaya. 116 Hal. Wahyuni, S. 2013. Biogas, Energi Pengganti BBM, Gas dan Listrik. Bogor: PT
Agromedia Pustaka. 117 Hal.
Wubs, H.J. dan A.A.C.M. Beenackers.1993. Kinetics of the Oxidation of Ferous Chelates of EDTA and HEDTA into Aquaeous Solution. Ind. Eng. Chem. Res. Vol 32: 2580-2594
