1016: Seno D. Panjaitan
dkk. EN-83
EN-84 1016: Seno D. Panjaitan
dkk.
Prosiding InSINas 2012 Prosiding InSINas 2012
TEKNOLOGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS
TERPURIFIKASI YANG BERASAL DARI SAMPAH PERKOTAAN
Seno D. Panjaitan∗, Sukandar, Berlian Sitorus, dan Yandri
Universitas Tanjungpura Jl. Ahmad Yani, Pontianak 78124
Telepon (0561) 739630
∗e-Mail: senopanjaitan@gmail.com
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Makalah ini menyajikan hasil penelitian terkait metoda dan teknologi konversi energi listrik berbahan bakar biogas yang dihasilkan melalui fermentasi anaerobik sampah kota dalam landfill skala pilot. Biogas yang dihasilkan memiliki konsentrasi gas metana (CH4 ) sebesar ± 58,5% Volume tanpa adsorben dan 69-70,5% volume dengan beberapa jenis adsorben, dengan laju
alir biogas 53-75 ml/menit. Beberapa jenis adsorben yang berbahan dasar kaolin-zeolit dan cangkang sawit yang digunakan untuk menyerap gas-gas lain selain CH4 telah disintesis dan diujikan terhadap biogas yang dihasilkan. Hasil pengujian
menunjukkan bahwa adsorben berbahan dasar cangkang sawit dan diimpregnasi dengan senyawa KI dan ZnO memiliki kemampuan terbaik dalam mengadsorbsi gas lain yakni CO , CO2 dan H2 S dalam biogas. Pengujian generator yang
dimodifikasi berbahan bakar biogas dilakukan dengan beban listrik resistif lampu pijar 100 W, 200 W dan resistif-induktif pompa air 125 W. Dari hasil yang diperoleh, nilai tegangan listrik yang dihasilkan telah memenuhi standard PLN, ANSI C84.1-2011, dan/atau darurat, sementara itu daya yang dihasilkan memiliki karakteristik yang baik. Dari hasil perhitungan tekno-ekonomi dapat dinyatakan bahwa investasi yang akan dilakukan dengan metoda pengolahan yang diusulkan adalah layak untuk dilakukan.
Kata Kunci: Biogas, sampah kota, energi terbarukan, bio-energi, landfill.
I. PENDAHULUAN
Biogas merupakan salah satu sumber energi alterna- tif yang dapat dikonversi menjadi energi listrik. Gas tersebut dapat dihasilkan melalui proses penumpukan (landfill) sampah organik perkotaan yang juga da- pat mengurangi pencemaran lingkungan. Gas metana (CH4 ) memiliki komposisi
antara 40-70%. Apabila CH4
<65%, maka umumnya pemanfaatan biogas hanyalah
terbatas sebagai bahan yang layak dibakar untuk keper- luan kompor gas. Purifikasi CH4 perlu
dilakukan agar konsentrasinya dapat meningkat diatas 65%.[1] Ada- pun teknik purifikasi yang
digunakan dalam penelitian ini adalah adsorbsi. Adsorpsi merupakan proses di- mana molekul Volatile Organic Compound mengalami kontak dengan permukaan dari suatu padatan yang berfungsi sebagai adsorben dan berikatan melalui gaya intermolekular yang lemah.[2, 3]
1016: Seno D. Panjaitan
dkk. EN-84
EN-84 1016: Seno D. Panjaitan
dkk.
Prosiding InSINas 2012 Prosiding InSINas 2012 83% sampah organik dan 17% sampah anorganik.
Na-mun hal ini belum dimanfaatkan untuk menghasilkan energi, demikian juga pada banyak daerah lainnya.
Masalah Iptek yang umumnya terjadi di TPA adalah sistem pengumpulan biogas yang tidak sempurna se-hingga produksi CH4 menjadi rendah selain tidak
ter-sedianya teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBg) yang layak untuk TPA khususnya. Hal terse-but membuat kapasitas energi yang seharusnya dapat dimanfaatkan oleh masyarakat dari TPA menjadi tidak tersedia. Disamping itu, lepasnya biogas seperti CH4
ke udara akan menambah efek negatif terhadap ling-kungan dan dapat membahayakan masyarakat.
Di sisi lain, masalah energi listrik merupakan isu yang sangat penting saat ini. Rasio elektrifikasi nasional tahun 2011 baru sekitar 72% dan kalimantan Barat ber-kisar 63,74%. Hal ini disebabkan oleh semakin mahal-nya dan terbatasmahal-nya bahan bakar mimahal-nyak untuk pem-bangkitan listrik.
gen-erator listrik dan pengembangan teknologi PLTBg dari sampah kota. Perancangan sistem konversi energi lis-trik dari sampah dan mendesain landfill penghasil bio-gas serta adsorben untuk meningkatkan kualitas biogas yang dihasilkan disajikan dalam makalah ini.
Dengan tersedianya teknologi ini, diharapkan dua isu strategis dapat dipecahkan, yaitu lingkungan dan ketersediaan energi yang kedepannya akan ikut me-ningkatkan rasio elektrifikasi.
II. METODOLOGI
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah survei, perancangan dan eksperimen. Sampel diambil dari kota Pontianak (Pasar Flamboyan dan TPA Batu Layang. Landfill skala Pilot di tempatkan pada lokasi di area Fakultas Teknik Untan. Perancangan, eksperimen dan analisis dilakukan di Lab. Teknik Kendali UNTAN, Lab. Kimia FMIPA UNTAN dan Lab. Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) ITB. Prosedur penelitian adalah sebagai berikut:
• Survei dan identifikasi persoalan TPA dalam menghasilkan biogas untuk dikonversi menjadi lis- trik,
memodifikasi generator bensin agar dapat dijalankan dengan ba- han bakar Liquified Petroleum Gas (LPG) dan Bio- gas,
• Analisis fase fermentasi pada landfill skala pi-lot (hidrolisis, acidogenesis, dan metanogenesis) melalui pengambilan data COD dan pH dari lindi, • Analisis GSA Adsorben (Kaolin-Zeolit, Impregnasi
KI, Impregnasi KI-ZnO),
• Analisis aliran gas dan Konsentrasi Biogas (CH4 ,
CO2 , H2 S, CO) baik tanpa atau dengan adsorben,
• Pengujian generator listrik dengan tiga bahan bakar (Bensin, LPG, dan Biogas hasil fermentasi sampah) dan pengukuran parameter listrik.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil IdentifikasiTPA yang telah disurvei tidak menghasilkan gas CH4 sampai saat ini meskipun sudah ditutup kurang
lebih beberapa tahun. Hal ini kemungkinan besar dise-babkan oleh konstruksi pipa yang terendam karena be- rada di bawah permukaan lindi, karakteristik sampah, dan sistem pengumpulan biogas yang tidak sempurna.
B. Karakterisasi Sampah kota (Sampel)
Pada penelitian ini, karakterisasi sampah kota yang digunakan disajikan pada TA B E L 1. Dalam
Adapun konstruksi landfill skala pilot dan sebagian proses pengisian disajikan pada GA M B A R 1.
C. Biogas
Hasil pengukuran konsentrasi biogas di landfill skala pilot pada bulan ke-4 dengan variasi adsorben yang berbeda hasil modifikasi dari bulan-bulan sebelumnya disajikan pada GA M B A R 2. merupakan campuran kaolin-zeolit dengan rasio 3:1, sedangkan saat biogas dilewatkan pada adsorben yang
merupakan campuran kaolin:zeolit dengan
perbandingan kaolin:zeolit = 1:6 konsentrasi CH4
adalah sebesar 69,5% volume. Dari hasil analisis ini dapat dinyatakan bahwa adsorben campuran kaolin-zeolit merupakan adsorben yang baik dalam meningkatkan konsentrasi CH4 terutama cam- puran
GA M B A R 2: Hasil pengukuran kandungan biogas pada landfill skala pilot
Adsorbsi gas yang sama juga dilakukan dengan menggunakan karbon aktif yang dibuat dari cangkang sawit, yaitu:
a) Impregnasi dengan senyawa logam Kalium Iodida (KI),
b) Impregnasi dengan senyawa logam Kalium Iodida (KI) yang dilanjutkan dengan penambahan logam ZnO.
Kedua jenis karbon aktif a) dan b) menunjukkan hasil yang sedikit berbeda, dimana adsorbsi dengan a) dapat meningkatkan konsentrasi CH4 hingga
menca-pai ±69%, sedangkan karbon aktif yang berasal dari cangkang dan mengalami perlakukan b) dapat mening- katkan konsentrasi gas CH4 hingga mencapai
±70,5% volume. Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa adsorben yang terbaik dalam meningkatkan konsentrasi gas CH4 adalah karbon
aktif yang berasal dari cangkang sawit dan melalui perlakuan impregnasi dengan senyawa KI yang dilanjutkan dengan senyawa ZnO.
Selain pengukuran gas CH4 , dilakukan juga
pengu-kuran gas CO (carbon monoksida), CO2 (karbon
diok-sida) dan Hidrogen Sulfida (H2 S). Dari gambar terlihat
bahwa rata-rata kandungan gas secara berurutan tanpa absorben pada landfill skala pilot secara berurutan un- tuk CH4 ,CO2 , CO dan H2 S adalah
58,5%; 13,1; 7,42 dan
1,76 ppm. Adsorben yang menaikan gas CH4 paling
tinggi adalah absorben karbon aktif komersial menjadi 70,5% tetapi menurunkan CO dan CO2 serta menjadi 11,4 ppm dan 0,83 ppm tetapi menaikkan gas CO. Absorben yang menurunkan paling rendah CO adalah absorben kaoli-zeolit dengan rasio 1:1 menjadi 6,75 ppm tetapi menaikan konsentrasi gas H2 S.
Pada pengukuran tanpa menggunakan adsorben konsentrasi gas CO2 adalah sebesar 13,1 ppm,
berku-rang menjadi 12; 12,7; 12,3 dan 11,4 ppm setelah meng-gunakan adsorben kaolin:zeolit = 1:1; kaolin: zeolit = 3:1; karbon aktif komersial dan karbon aktif dari cangkang sawit yang diaktivasi secara kimia. Dapat dikatakan berasal dari cangkang sawit dan diaktivasi kimia mampu menurunkan kadar CO2 sebesar 13.
Pengukuran tanpa menggunakan adsorben menun-jukkan nilai rata-rat bahwa konsentrasi H2 S pada
land-fill skala pilot adalah 1,76 ppm. Setelah biogas tersebut konsentrasi H2 S berkurang menjadi <0,83 ppm untuk
adsorben campuran kaolin-zeolit masing-masing untuk rasio kaolin : zeolite = 3:1 dan karbon aktif yang beradal dari cangkang sawit yang telah diaktivasi secara kimia.
Di sisi lain, aliran gas merupakan faktor penting dalam melihat volume dari biogas dari landfill. GA M -B A R 3 menyajikan grafik rata-rata aliran biogas yang
langsung diukur pada landfill skala pilot (±16 ton sam-pah) dalam penelitian ini. Aliran biogas berkisar
an-pun perkiraan waktu produksi gas dari volume sampah ±16 ton adalah antara 3,5-5 tahun.
GA M B A R 3: Hasil Pengukuran Aliran Biogas pada Landfill skala
Pilot
D. Parameter Elektris
Analisis komersialisasi secara kualitatif maupun kuantitatif dari sistem pembangkit biogas menggu-nakan generator set berbasis motor induksi disajikan
pada[4] dimana bibliografi aplikasi generator induksi
untuk sistem-sistem energy nonkonvensional disajikan pada.[5] Analisis umum mengenai biogas dari
land-fill disajikan secara singkat di[6] tanpa data-data
EN-86 1016: Seno D. Panjaitan dkk.
1016: Seno D. Panjaitan
dkk. EN-87
Pada riset ini modifikasi dilakukan pada sistem kaburator bensin sehingga memiliki tabung penstabil tekanan gas (pressure stabilizer) dan pencampur udara- gas (air-gas mixer) pada sistem PLTBg. Pressure sta- bilizer berfungsi untuk mengatur tekanan gas agar su- paya dapat tetap stabil meskipun kebutuhan gas untuk pembakaran berubah-ubah, sedangkan air-gas mixer ditujukan untuk mencampur biogas dan udara.
Pengujian terhadap Biogas dari sampah kota sebagai bahan bakar generator listrik. Beberapa hasil pengujian dengan beban resistif lampu 100 Watt dan lampu 200
Watt serta beban resistif induktif Pompa 125 Watt disa- jikan. Pengukuran parameter listrik dilakukan dengan menggunakan Power Quality Analyzer (PQA) Fluke
43B.[11]
Pengujian generator dengan beban LPG untuk lampu 100 Watt mengkonsumsi gas 1,5 gram/menit de- ngan putaran rotor generator 2.830 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disajikan pada GA M B A R 4
Terlihat bahwa tegangan kerja sebesar 229,8 Volt masih sesuai dengan standar PLN dan frekuensi sebesar 46
Hz. Arus kerja adalah sebesar 0,4 Ampere. Daya ak-tif (91 W) dan daya semu (92) menunjukkan nilai yang mendekati sama.
GA M B A R 4: Hasil Pengukuran beban lampu 100 Watt
Di samping itu faktor daya (PF) adalah 1. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 1 sama dengan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik, dimana distorsi harmonik akan terjadi jika PDF memiliki selisih (baik lebih maupun ku- rang) lebih dari 10% PF dengan faktor daya. Daya reak- tif terlihat 2 VAR, yang artinya terdapat sedikit beban induktif dari elemen lampu.
Pengujian generator dengan beban LPG untuk lampu 200 Watt mengkonsumsi gas 2 gram/menit de-ngan putaran rotor generator 2.366 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disajikan pada GA M B A R
5
Terlihat bahwa tegangan kerja sebesar 229 Volt masih sesuai dengan standar PLN dan ANSI C84.1-2011[10]
dan frekuensi sebesar 39,3 Hz. Arus kerja adalah
EN-86 1016: Seno D. Panjaitan dkk.
1016: Seno D. Panjaitan
dkk. EN-88
GA M B A R 5: Hasil Pengukuran Beban Lampu 200 Watt
Di samping itu faktor daya (PF) adalah 1. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 1 sama dengan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik. Daya reaktif terlihat 6 VAR, yang artinya terdapat sedikit beban induktif dari ele-men lampu.
Pengujian generator dengan beban Biogas untuk pompa 125 Watt (spesifikasi pompa) mengkonsumsi gas 3 gram/menit dengan putaran rotor generator 1,364 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disa- jikan pada GA M B A R 6 terlihat bahwa tegangan
kerja sebesar 224 Volt masih sesuai standar PLN dan ANSI C84.1-2011[10] dan frekuensi sebesar 37,7 Hz. Arus
kerja adalah sebesar 1,997 Ampere. Daya aktif (162 W) dan daya semu (249 VA) menunjukkan adanya perbedaan yang agak besar, akibatnya nilai faktor daya
tidak sama dengan 1 tetapi 0,65. Hal ini disebabkan adanya beban induktif yang cukup besar. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 0,67 hampir sama de- ngan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik, dimana distorsi harmonik akan ter- jadi jika PDF memiliki selisih (baik lebih maupun ku- rang) lebih dari 10% PF dengan faktor daya. Daya reak- tif terlihat 179 VAR, yang artinya terdapat cukup be- sar beban induktif dari elemen lilitan pada motor peng- gerak pompa.
E. Perhitungan Tekno-ekonomi
Perhitungan tekno-ekonomi untuk potensi pene-rapan PLTBg dari sampah kota selama 5 tahun dan in-vestasi awal sebesar Rp. 27.775.000 didapatkan Net Present Value (NPV), Profitability Index (PI), Pay Back Period (PBP) dan Internal Rate of Return (IRR). Dida-patkan hasil-hasil sebagai berikut:
• NPV = Rp. 33.203.893 (Nilai Positif berarti layak untuk investasi),
• PI = 2,195 (layak jika ≥ 1, tidak layak jika <1), • PBP = 4,41 tahun (layak karena di bawah umur
ekonomis 5 tahun)
GA M B A R 6: Hasil Pengukuran Beban resistif-induktif pompa 125
Watt
IV. KESIMPULAN
Dari beberapa adsorben hasil sintesis yang telah di-uji, disimpulkan bahwa hampir seluruh jenis adsor-ben yang disintesis dan diujikan mampu meningkat-kan kadar metana diatas 65%. Disamping itu, adsor-ben juga mengurangi kadar gas-gas selain metana yaitu CO2 , H2 S dan CO.
Dari hasil yang telah disajikan, potensi biogas dari sampah kota cukup besar untuk dapat dikonversi men- jadi energi listrik. Dari perhitungan tekno-ekonomi (NPV, PI, PBP dan IRR) untuk landfill skala pilot dan dengan produksi listrik yang sesuai dengan produksi biogas dari hasil penelitian, investasi layak dilakukan. Kualitas listrik yang dihasilkan cukup baik, dimana tegangan dan kualitas daya telah memenuhi standar (PLN dan ANSI C84.1-2011). Perbaikan nilai frekuensi dan pengembangan untuk skala yang lebih besar meru- pakan target dalam penelitian lanjutan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Rasi, S., (2009) Biogas Composition and Upgrad-ing to Biomethane, Dissertation of University of Jy- vaskyla.
[2] Isabel AAC, Lopes MSS, Nunes PMC, Mota JPB., (2008), Adsorption of natural gas and biogas com-ponents on activated carbon, Separation and Pu-rification Technology 62, pp. 281-296.
[3] Adalberto N., Juan M. M.& Jorge E. L., (2006), Treatment of biogas produced in anaerobic reac- tors for domestic wastewater: odor control and en- ergy/resource recovery, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology 5:93114, 2006.
[4] Li Wang; Ping-Yi Lin;Analysis of a Commercial Biogas Generation System Using a Gas EngineIn-duction Generator Set, IEEE Transactions onEn-ergy Conversion, Vol. 24, Issue 1, 2009, pp. 230-239
[5] Bansal, R.C.; Bhatti, T.S.; Kothari, D.P.; Bibliog-raphy on the application of induction generators in nonconventional energy systems, IEEE Transac- tions onEnergy Conversion, Vol. 18, Issue 3, 2003, pp. 433-439.
[6] Garcilasso, V.P.; Velazquez, S.M.S.G.; Coelho, S.T.;
Silva, L.S.;Electric energy generation from landfill biogas Case study and barriers, International IEEE Conference onElectrical and Control Engineering (ICECE), 2011, pp. 5250-5253.
[7] Jiang Yao-hua; Xiong Shu-sheng; Shi Wei; He Wen-hua; Zhang Tian; Lin Xian-ke; Gu Yun; Lv Yin-ding; Qian Xiao-jun; Ye Zong-yin; Wang Chong-ming; Wang Bei;Research of Biogas as Fuel for In-ternal Combustion Engine, Power and Energy En-gineering Conference, 2009, pp. 1-4.
[8] Bardi, S.; Astolfi, A.;Modeling and Control of a Waste-to-Energy Plant [Applications of Control], IEEE Transaction on Control System, Vol. 30, Issue 6, 2010, pp. 27-37.
[9] Zhijun Li; Yu Yang; Xiujuan Bao; Simulation and analysis of the third-order model of synchronous generator based on MFC, International Conference onMechatronics and Automation, 2009, pp. 4252-4256.
[10] American Nasional Standard Institute (2011), ANSI C84.1-2011: Electric Power System and Mea-surement Voltage Ratings (60 Hertz), Revises NEMA-ANSI C84.1-2006.
