5
BAB II
LANDASAN TEORI 2.1 Energi Terbarukan
Sebelum mengenal bahan bakar fosil, manusia sudah menggunakan biomassa sebagai sumber energi, contohnya menggunakan kayu untuk menyalakan api unggun. Sejak manusia berpindah dari pada minyak, gas bumi, atau batu bara untuk menghasilkan tenaga, penggunaan biomassa mulai tergeser dari kehidupan (A Arhamsyah, 2010). Namun penggunaan energi fosil yang tinggi dan tidak dibarengi dengan trobosan energi terbarukan membuat manusia mengalami krisis energi. Hal ini disebabkan ketergatungan terhadap bahan bakar fosil yang sangat tinggi.
Gambar 1. batubara merupakan bahan bakar fosil tidak terbarukan
Energi terbarukan adalah energi yang bisa diolah dengan waktu yang cukup singkat dengan cara dikonversi untuk menghasilkan energi lain, karena pada dasarnya energi tidak bisa diciptakan namun bisa dirubah. Bahan bakar fosil merupakan sumber daya alam yang tidak terbarukan, sehingga mengatasi krisis
energi masa depan perlu beberapa alternatif sumber energi dikembangkan salah satunya melalui energi biomassa yang sudah disesuaikan kepraktisannya.
2.2 Biomassa
Menurut (AArni, HMD Labania, A Nismayanti, 2014) Biomassa merupakan bahan organik yang berasal dari limbah atau sisa produksi seperti tumbuhan, hewan, dan limbah industri budidaya (pertanian, perkebunan, kehutanan, peternakan, perikanan). Unsur utama dari biomassa adalah bermacam-macam zat kimia (molekul) yang sebagian besar mengandung atom karbon (C).
Briket atau bahan bakar biomassa secara garis besar tersusun dari selulosa dan lignin (sering disebut lignin selulosa). Komposisi elementer biomassa bebas abu dan bebas air 53%, massa karbon, 6% hidrogen, dan 42% oksigen, serta sedikit nitrogen, fosfor, dan belerang (biasanya masing-masing kurang dari 1%), kadar abu dari kayu biasanya kurang dari 1% (Supriyanto dan Merry, 2010). Pada umunya yang digunakan sebagai bahan bakar adalah biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya.
Di Indonesia kayu merupakan biomassa yang sudah lama dikenal oleh masyarakat dan merupakan sumber energi terbarukan. Menurut potensi biomassa yang bersumber dari kayu antara lain limbah industri kayu, limbah plywood, dan limbah logging. Selain ketersediannya cukup banyak biomassa kayu juga cenderung tidak menyebabkan dampak negatif pada lingkungan (Alkarmi, 2007).
2.2.1 Briket Arang atau Bioarang
Gambar 2. contoh briket organik dari batok kelapa
Briket adalah suatu padatan terbuat dari limbah pertanian maupun kehutanan yang dihasilkan melalui proses pemampatan dan pemberian tekanan. Briket arang atau bioarang adalah arang yang diolah melalui sistem pengepresan dan menggunakan bahan perekat (Supriyanto dan Merry). Briket bioarang merupakan salah satu bahan bakar yang berasal dari biomassa. Komposisi bahan pembuat briket memberikan pengaruh yang sangat nyata terhadap kadar air, nilai kalor, dan kadar abu.
2.2.2 Biogas
Gambar 3. biogas dari limbah sampah
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses fermentasi kotoran hewan, kotoran manusia, maupun sampah organik oleh aktivitas bakteri anaerob. Energi biogas didominasi oleh gas metana (CH4) rata-rata 60%, karbon dioksida (CO2) lebih dari 36%, dan beberapa gas lain seperti oksigen (O2), hidrogen (H2), dan hidrogen sulfida (H2S) dalam konsentrasi yang lebih kecil (K Baehaki, 2018).
2.2.3 Biodiesel
Biodiesel merupakan suatu nama dari Alkyl Ester atau rantai panjang asam lemak yang berasal dari minyak nabati maupun lemak hewan. Biodiesel digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel tanpa memerlukan modifikasi mesin. Biodiesel tidak mengandung petroleum diesel atau solar.
Gambar 4. biodiesel dari minyak sawit
Biodiesel adalah senyawa mono alkil ester yang diproduksi melalui reaksi transterifikasi antara trigliserida (minyak nabati, seperti minyak sawit, dan minyak jarak) dengan methanol menjadi metil ester dan gliserol dengan bantuan katalis basa. Biodiesel mempunyai rantai karbon antara 12 sampai 20 serta mengandung oksigen. Adanya oksigen yang membedakannya dengan petroleum diesel (solar) yang komponen utamanya hanya terdiri dari hidro karbon. Jadi komposisi biodiesel dan petroleum diesel sangat berbeda.
2.2.4 Bioetanol
Gambar 5. bioethanol dari ubi kayu
Bioetanol merupakan bahan bakar yang memiliki beberapa kelebihan yang berasal dari sumber hayati berupa kelapa, biji durian, ubi jalar, jagung, dan bahan baku lainnya yang mengandung gula sederhana, amilum, dan selulosa. Bioetanol dapat dibuat dari zat pati atau amilum (C6H10O5)n yang bisa dihidrolisa menjadi glukosa dengan cara pemanasan, dibantu dengan katalis dan mikroorganisme Saccharomyces cerivisiae. Selanjutnya glukosa difermentasikan menjadi etanol (P Coniwanti, F Siagian, Y Prasetyo, 2016).
2.3 Serbuk Kayu
Serbuk gergaji kayu sifatnya sama dengan kayu, perbedaannya terletak hanya pada wujudnya. Kayu merupakan suatu bahan yang diperoleh dari hasil penebangan pohon dan melalui proses pemungutan setelah diperhitungkan bagian mana yang akan dimanfaatkan untuk sesuatu tujuan penggunaan untuk proses produksi selanjutnya. Serbuk gergaji kayu tersusun dari zat organik (sellulosa, hemisellulosa, lignin, pentosan, silika). Sedangkan unsur pembentuknya terdiri dari Nitrogen (N), karbon (C), hidrogen (H), Oksigen (O2), abu serta unsur lainnya.
2.3.1 Kandungan Kayu Meranti
Banyak jenis kayu yang berada di Indonesia, setiap jenis kayu memiliki kandungan yang berbeda, kayu meranti merupakan kayu yang sering dipakai untuk keperluan tertentu sehingga kayu meranti menjadi contoh untuk diangkat sebagai referensi kandungan yang dimiliki kayu.
Dari hasil penelitian terdahulu hasil analisis proksimiasi diperoleh karakteristik termal sebagai berikut:
a. Nilai Kalor Atas (HHV) = 5731,10 kcal/kg b. Moisture (M) = 1,72 %
c. Volatile Matters (VM) = 29,19 % d. Fixed Carbon (FC) = 65,90 % e. Efisiensi pembakaran = 70,76 % f. Kandungan emisi gas CO = 0,33 % g. Kandungan emisi gas CO2 = 1,36 %
Dari hasil tersebut kandungan energi yang terdapat pada gergajen kayu meranti setara dengan nilai kalor batubara subbituminous, dan termasuk dari parameter lainnya termasuk dari hasil pembakaran dalam kondisi aman berdasarkan WHO. Sehingga dapat disimpulkan bahwa gergajen atau serbuk kayu meranti layak untuk dijadikan bahan bakar alternatif.
2.4 Sekam Padi
Sekam padi ialah salah satu produk sampingan dari proses penggilingan padi. Sekam padi ada hanya pada musim panen padi atau pada masa tertentu saja, sekam padi biasa digunakan sebagai campuran pakan ternak dan untuk keperluan energi sekam padi masih kurang pengembangan dan pemanfaatanya.
Melewati penelitian ini diharapkan sekam padi dapat menjadi pilihan bahan bakar alternatif musiman untuk mensiasati kebutuhan energi fosill di Indonesia yang semakin menurun. Salah satu contoh penelitian terdahulu didapatkan kandungan sekam padi sebagai berikut.
Tabel 1. Kandungan Sekam Padi
Kandungan Presentase
Kadar Air Protein Kasar
Lemak Serat Kasar
Abu Krbohidrat Dasar
9,02 % 3,03%
1,18%
35,68%
17,17%
33,37%
(sumber: suharno, 1979)
2.5 Nilai Kalor Berbagai Jenis Bahan Bakar
Nilai kalor sangat menentukan hasil dari pembakaran, berikut nilai kalor pada jenis bahan bakar pada umumnya.
Tabel 2. Nilai kalor optimal briket dari berbagai macam biomassa
Bahan Bakar Nilai Kalor (Kal/g)
Kayu kering 4213
Batubara muda (lignit) 1887,3
Batubara 6999,5
Minyak bumi 10081,2
Bahan bakar minyak 10224,6
Gas alam 9722,9
(Sumber: Akhehurst, 1981)
2.6 Reaksi Pembakaran
Reaksi pembakaran memegang peranan penting dalam kehidupan sehari hari sebagai sumber energi. Pembakaran bahan bakar kayu, batu bara, dan gas bumiyang banyak mengandung unsur karbon akan menghasilkan energi dalam rumus reaksi kimia pembakarannya sebagai berikut:
CH20 + O2 + mineral CO2 + H2O + energi (cahaya/panas) + abu Percikan api (spark) dibutuhkan untuk memulai reaksi ini. Nyala api yang kita lihat sewaktu pembakaran tiada lain gas dan karbon yang tidak terbakar kemudian menguap ke udara.
2.7 Analisa Teknik
Menurut Perry dan Chilton (1973), kebutuhan udara minimum untuk proses pembakaran dapat dihitung melalui persamaan berikut :
Wmin = 100
21
. ((1,96 . 𝐶) + (5,85 . 𝐻))...(1)
Keterangan:
Wmin = Kebutuhan udara minimum (m3/kg bahan bakar)
C = Kandungan karbon dalam bahan bakar (% )
H = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (% )
Besarnya panas yang dihasilkan dari bahan bakar biomasa dihitung berdasarkan persamaan
Q = m x U x t...(2) Keterangan:
m = Laju aliran bahan bakar (kg/jam)
U = Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
t = Lama pemanasan (jam)
besarnya panas yang hilang karena aliran udara dihitung berdasarkan persamaan
Qu = Wu . cp . (Tuo – Tui)……….(3)
Keterangan :
Wu = Jumlah udara yang mengalir (kg/detik)
Cp = Koefisien panas jenis udara (0,24 kkal/kg oC)
Tuo = Suhu udara yang keluar dari tungku (oC)
Tui = Suhu udara yang masuk ke dalam tungku (oC)
2.8 Nilai Kalor
Nilai kalor adalah jumlah energi panas maksimum yang dibebaskan oleh suatu bahan bakar melalui reaksi pembakaran sempurna persatuan masa atau volume bahan bakar kj/kg, kj/m3, kkal/kg, kkal/m3, Btu/lb, dan Btu/ft3. (S Santosa, S Soemarno, 2014). mendefinisikan nilai kalor adalah kalor yang berpindah bila hasil pembakarannya sempurna. Nilai kalor sangat menentukan kualitas dari bahan bakar serbuk kayu. Semakin tinggi nilai kalor dari serbuk kayu akan semakin baik pembakaran yang dihasilkan. Nilai kalor bahan bakar padat termasuk bahan bakar biomassa adalah nilai kalori kotor HHV (Gross Calorific Value) yang diperoleh melalui percobaan Bom Kalorimeter menurut ASTM D 2015 dan dinyatakan dalam satuan Btu/lb atau kJ/Kg.
Nilai kalor atas HHV (Gross Higher Heating Value) didefinisikan sebagai panas yang dilepaskan dari pembakaran sejumlah kuantitas unit bahan bakar
(massa) dimana produknya dalam bentuk ash, gas CO2, SO2. Pembakaran dari produk pirolis biomassa, khususnya arang dan volatile matters terjadi dalam 2 bentuk, yaitu pembakaran nyala (flaming combustin) dan pembakaran membara (Glowing Combustion). Secara lengkap dapat dilihat gambar dibawah ini.
Gambar 6. pembakaran kayu
Semakin rendah kandungan air pada kayu maka akan semakin mudah proses terjadinya pembakaran. Terjadinya pembakaran perlu melewati beberapa proses yang utama adalah harus ada oksigen. menurut (Juliani Anggono 2009) unsur kimiawi kayu meranti terdiri atas sellulosa 50%, Lignin 16-33%, Hemiselulosa dan sejumlah zat lain 510%.
Gambar 7. Proses terjadinya pembakaran pada kayu
Nilai kalor pada serbuk kayu dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
HHV = ……… (4)
Dimana : HHV = Nilai kalor (Kj/kg) H = Nilai air kalori meter
= 11,5664 kj
∆T = Selisih temperature akhir dan awal (T2-T1) Mfw = Massa fuse wire (kg)
= 5860,40 kj/kg Mbb = Massa bahan bakar
1 kalor = 4,18 joule
2.8.1 Proses Pembakaran (Heating Value)
Analisa kalor penting dilakukan untuk mengetahui suatu bahan bakar dimaksudkan untuk memperoleh data tentang energi kalor yang dapat dibebaskan (Eddy dan Budi, 1990). Nilai kalor menunjukan nilai yang berpindah bila hasil pembakaran sempurna. Menurut standar ASTM 2015 nilai kalor ditentukan dalam uji standar dalam Bom Kalorimeter
Gambar 8. Bomb Kalorimeter
(M. M. El-Wakil, 1992) mengatakan dua jenis penentuan: nilai kalor tinggi (bruto), (HHV, Higher Heating Value) dimana diasumsikan bahwa uap yang terbentuk telah terkondensasi, sehingga dalam hal ini termasuk kalor laten penguapan uap air dalam produk dan (LHV Lower Heating Value) nilai kalor rendah yang tidak mencakup kalor laten tersebut.
Dalam peneltitian terdahulu analisa nilai kalor dengan adiabatic oxygen bomb calorimeter untuk biomassa yang masih mengandung air
yaitu Gross Energy (GE) atau besar energi bruto menggunakan persamaan :
∆T= (t2 - t1)………..(5)
Kawat laor terbakar = (10 – sisa kawat) x 2,3 kal/cm2…. (6)
Dimana : ∆T = Perubahan suhu
T2 = Suhu akhir (oC)
T1 = Suhu awal (oC)
2,3 (kal) merupakan besar kalor yang dibutuhkan untuk membakar 1 cm kawat pijar.
GEbasah
=
(2470 . ∆ x)−(Panas kawat+mililiter titrasi)Berat sampel
...(7)
dengan berat sampel (gr), berat basah (%), Mililiter titrasi(kalori), GE basah (gross energi) (kal/gr), Kalor kawat terbakar (kalori), 2470 (kal) merupakan besar kalor yang dibutuhkan suatu bahan yang dibakar dalam menaikkan suhu 1oC, Mililiter titrasi (Na2CO3) merupakan koreksi panas yang terbentuk oleh asam nitrat selama pembakaran berlangsung. Sedangkan untuk menganalisa nilai kalor bersih atau tanpa kadar air menggunakan persamaan :
GEkering
=
100 . GE𝑏𝑎𝑠𝑎ℎBahan kering
...(8)
Lengan GEkering (gross energy)(kal/gr), Bahan kering (%).
2.8.2 Jenis Kalorimeter
Jenis dari penilaian kalor terdapat beberapa macam metode percobaan, yaitu:
1. Ishotermal Oxigen Bomb Calorimeter
Kenaikan suhu dari inner vessel (Calorimeter Bucket) dapat diperiksa, sedang suhu out vessel (Jacket) konstan. Suhu jacket dapat diatur terus menerus selama penetapan untuk tetap sama dipertahankan terhadap Calorimeter Bucket.
2. Adiabatic Oxigen Bomb Calorimeter
Tidak diperlukan koreksi radiasi panas dan hanya diperlukan pemeriksaan suhu awal dan akhir kalorimeter serta suhu jacket terpaku sama terhadap suhu linier vessel selama penetapan. Perbedaan dengan jenis yang pertama bahwa ishotermal memerlukan pengukuran suhu awal dan suhu akhir 3. Ballistic Oxigen Bomb Calorimeter
Sampel yang diketahui beratnya ditetapkan kalorinya dengan cara dibakar dalam suatu bomb yang berisi oksigen berlebihan, kemudian kenaikkan maksimum dari bomb diukur dengan termokopel dan galvanometer. Dengan menbandingkan kenaikkna suhu dengan sampel standar yang telah diketahui nilai kalornya dengan cara pembakaran asam benzoat dalam bomb calorimeter.
2.8.3 Kadar Air
Perhitungan energi sangat diperlukan agar pembakaran dapat berlangsung efektif dan efisien. Besarnya energi yang diperlukan tegantung pada jumlah kadar air dari serbuk kayu. Apabila kadar air serbuk kayu tinggi maka energi yang diperlukan untuk pengeringan dan pembakaran juga tinggi.
Selain tergantung pada kadar air pada serbuk kayu, besarnya energi yang diperlukan juga tergantung dari kandungan energi kayu. (Soewedo Hadiwiyoto, 1983) mengatakan efektifitas pengeringan dan pembakaran ditentukan oleh empat hal, yaitu:
a. Kecepatan uap dari berbagai biomassa
b. Tingginya diferensiasi suhu, yaitu kenaikan suhu bertahap yang diperlukan
c. Pengadukan untuk mempercepat pemindahan panas
d. Ukuran jenis biomassa terutama yang berwujud benda. Bila ukuran biomassa kecil atau dalam bentuk serbuk kayu dan sampah yang sudah dirajang dan digiling, berarti permukaan pengeringan menjadi lebih luas, akibatnya air yang menguap lebih cepat.
2.9 Perkembangan Mesin
Sebagai dasar pembuatan alat maka perlu melihat patent terdahulu mesin pengumpan serbuk kayu sebagai dasar mutlak sebagai syarat untuk membuat alat yang memiliki fungsi sama namun berbeda desain. Pada intinya mesin
yang memiliki fungsi serupa banyak dijumpai namun hal yang perlu diperhatikan adalah desain alat harus berbeda.
2.9.1 Patent Nomor Publikasi US3610182A Inventor : Richard F Stockman
Aplication events
1969-10-03/Application filed by Arvos Ljungstrom LLC
1969-10-03/Priority to US86776369A
1971-10-05/Aplication granted
1971-10-05/Publication of US3610182A
1988-10-05/Anticipated expration
2019-11-14/Application status is Expired – Lifetime
Gambar 9. Patent
