BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biomassa
Biomassa adalah suatu limbah benda padat yang bisa dimanfaatkan lagi sebagai sumber bahan bakar. Biomassa meliputi limbah kayu, limbah pertanian, limbah perkebunan, limbah hutan, komponen organik dari industri dan rumah tangga. Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil (minyak bumi) karena beberapa sifatnya yang menguntungkan yaitu sumber energi ini dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui (renewable resources), sumber energi ini relatif tidak mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya hutan dan pertanian (1).
Selain digunakan untuk tujuan primer seperti serat, bahan pangan, pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan dan sebagainya, biomassa juga digunakan sebagai bahan energi (bahan bakar). Umumnya yang digunakan sebagai bahan bakar adalah biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya.
Gambar 2.1 Biomassa
Teknologi konversi thermal biomassa meliputi pembakaran langsung, gasifikasi, dan pirolisis atau karbonisasi. Masing-masing metode memiliki karakteristik yang berbeda dilihat dari komposisi udara dan produk yang dihasilkan.
Potensi energi tarbarukan yang besar dan belum banyak dimanfaatkan adalah energi dari biomassa. Potensi energi biomassa sebesar 50.000 MW hanya 320 MW yang sudah dimanfaatkan atau hanya 0,64% dari seluruh potensi yang ada. Potensi biomassa di Indonesia bersumber dari produk limbah kelapa sawit, jambu mete, penggilingan padi, kayu, pabrik gula, kakao, dan limbah industri pertanian lainnya (2).
2.1.1 Tongkol Jagung
Jagung (Zea mays L.) merupakan salah satu tanaman pangan dunia yang terpenting, selain gandum dan padi. Tanaman jagung merupakan salah satu jenis tanaman pangan biji-bijian dari keluarga rumput-rumputan. Berasal dari Amerika yang tersebar ke Asia dan Afrika melalui kegiatan bisnis orang-orang Eropa ke Amerika. Sekitar abad ke-16 orang Portugal menyebarluaskannya ke Asia termasuk Indonesia. Orang Belanda menamakannya mais dan orang Inggris menamakannya corn.
Gambar 2.2 Jagung
Sebagai sumber karbohidrat utama di Amerika Tengah dan Selatan, jagung juga menjadi alternatif sumber pangan di Amerika Serikat. Penduduk beberapa daerah di Indonesia (misalnya di Madura dan Nusa Tenggara) juga menggunakan jagung sebagai pangan pokok. Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung juga ditanam sebagai pakan ternak (hijauan maupun tongkolnya), diambil minyaknya (dari bulir), dibuat tepung (dari bulir, dikenal dengan istilah tepung jagung atau maizena), dan bahan baku industri (dari tepung bulir dan tepung tongkolnya). Tongkol jagung kaya akan pentosa, yang dipakai sebagai bahan baku pembuatan furfural. Jagung yang telah direkayasa genetika juga sekarang ditanam sebagai penghasil bahan farmasi.
Pada dasarnya limbah tongkol jagung melimpah tetapi tidak termanfaatkan dengan optimal. Dengan ini timbul gagasan untuk memanfaatkannya supaya mempunyai nilai lebih. Briquetting merupakan metode yang efektif untuk mengkonversi bahan baku padat menjadi
suatu bentuk hasil kompaksi yang lebih efektif, efisien dan mudah untuk digunakan. Adapun alasan pemilihan tongkol jagung sebagai bahan utama dikarenakan jumlahnya yang sangat melimpah dan tidak optimal dalam pemanfaatannya bahkan bisa dikatan tidak terpakai (limbah).
Gambar 2.3Tongkol Jagung Tabel 2.1 Komposisi kimia limbah jagung
Komponen Tongkol Jagung
Air (%) 7,68
Serat (%) 38,99 (crude fiber)
Selulosa (%) 19,49
Xilan (%) 12,4
Lignin (%) 9,1
Sumber: Richana et al. (2004). 2.2 Tungku
Adalah alat pembakar yang umumnya menggunakan bahan bakar padat yang berfungsi untuk memasak. Tungku dapat terbuat dari logam, keramik, gerabah, dan batu tahan api yang berfungsi sebagai media pemanas. Tungku berbeda dengan kompor karena tungku tidak menggunakan sumbu. Serta bersifat portable.
2.2.1 Jenis-Jenis Tungku
a. Tungku Tanah Liat.
Tungku jenis tanah liat ini umum digunakan di banyak daerah. Cara penggunaannya sangat sederhana dan menggunakan sedikit kayu karena tanah liat membantu menyediakan
panas untuk memasak. Tungku tanah liat dibuat dari lempengan tanah liat 75%, kotoran sapi kering 25% dan sejumlah kecil semen 5%, serta sedikit air untuk membuat campuran yang lembek.
Gambar 2.4 Tungku Tanah Liat b. Tungku Drum
Drum bekas bisa dimanfaatkan sebagai tungku sederhana berukuran besar, bahan-bahan yang digunakan berupa pasir, bebatuan dan daun pisang. Cara ini menggunakan sedikit kayu untuk memasak makanan dengan jumlah yang sama dibandingkan dengan memasak menggunakn api. Selain itu, makanan masih menyimpan banyak nutrisi-nutrisi dibandingkan dengan cara merebus atu menggoreng.
Gambar 2.5 Tungku Drum c. Tungku Serbuk Gergaji
Tungku ini menggunakan serbuk gergaji sebagai bahan bakar untuk memasak. Tungku ini mungkin juga bisa bekerja dengan menggunakan sekam padi dan sekam kopi kering, tapi sebaiknya dicoba terlebih dahulu untuk menentukan mana yang terbaik. Asap hasil pembakaran tungku ini relatif sedikit sehingga tidak mengganggu lingkungan.
Gambar 2.6 Tungku Serbuk Gergaji d. Tungku Plat Logam
Tungku plat logam menggunakan sekam padi atau sekam kopi untuk membakar sebagai ganti kayu bakar. Tungku ini didesain sedemikian rupa sehingga udara yang masuk melalui bagian bawah akan menjaga sekam yang terbakar secara terus-menerus.
Gambar 2.7 Tungku Plat Logam
e. Tungku Briket
Tungku yang sudah banyak beredar dipasaran saat ini terbuat dari bahan tembikar (tanah liat), selain murah juga menghasilkan effisinsi antara 31 - 33% dan sudah terbukti kehandalannya terutama dalam menekan laju emisi. (3)
Gambar 2.8 Tungku Briket 2.3 Bahan Bakar
Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses lain untuk melepaskan energi dari bahan bakar adalah melalui reaksi eksotermal dan reaksi nuklir (seperti Fisi nuklir atau Fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk di dalamnya bensin dan solar) sejauh ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia. Bahan bakar lainnya yang bisa dipakai adalah logam radioaktif. (2)
a. Bahan Bakar Organik
Bahan bakar organik yaitu bahan bakar yang terdiri dari sisa tumbuhan, minyak nabati, minyak hewani, dan bahan bakar fosil contohnya batu bara, minyak bumi dan gas alam. Bahan bakar organik terdidi dari unsur-unsur C, H, O, N, S, P dan lain-lain dalam jumlah kecil, sedangkan yang berperan sebagai bahan bakar adalah C, H, S.
b. Bahan Bakar Nuklir
Bahan bakar nuklir adalah bahan bakar yang menghasilkan kalor berasal dari reaksi berantai penguraian atom-atom melalui peristiwa radioaktif. Misalnya uranium dan plutonium.
c. Bahan Bakar Berdasarkan Wujud Bahan bakar padat
Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk menggerakkan peralatan dan menyediakan energi.
Bahan bakar cair
Bahan bakar yang berbentuk cair, paling populer adalah bahan bakar minyak atau BBM. Selain bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap, bahan bakar cair biasa digunakan kendaraan bermotor. Karena bahan bakar cair seperti Bensin bisa dibakar dalam karburator dan menjalankan mesin.
Bahan bakar gas
Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk kompor rumah tangga, sama bahannya dengan Bahan Bakar Gas yang biasa digunakan untuk sebagian kendaraan bermotor.
2.3.1 Arang Tongkol Jagung
Arang tongkol jagung merupakan bahan bakar padat, yaitu berupa limbah tongkol jagung yang diproses karbonisasi sehingga menjadi arang, tujuan dari pengarangan sendiri yaitu meningkatkan nilai karbon dan mengurangu asap saat proses pembakaran dari limbah tersebut.
1. Proses Karbonisasi
Proses pembakaran dikatakan sempurna jika hasil akhir pembakaran berupa abu berwarna keputihan dan seluruh energi di dalam bahan organik dibebaskan ke lingkungan. Namun dalam pengarangan, energi pada bahan akan dibebaskan secara perlahan. Apabilah proses pembakaran dihentikan secara tiba-tiba ketika bahan masih membara, bahan tersebut akan menjadi arang yang berwarna kehitaman. Bahan tersebut masih terdapat sisa energi
yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti memasak, memanggang, dan mengeringkan. Bahan organik yang sudah menjadi arang tersebut akan mengeluarkan sedikit asap dibandingkan dibakar langsung menjadi abu.
Lamanya pengarangan ditentukan oleh jumlah atau volume bahan organik,ukuran parsial bahan, kerapatan bahan, tingkat kekeringan bahan, jumlah oksigen yang masuk, dan asap yang keluar dari ruang pembakaran. Pada bagan dibawah terlihat bahwa abu yang merupakan hasil akhir proses pembakaran tidak memiliki energi lagi. Sementara itu, arang masih memiliki jumlah energi karena belum menjadi abu. Arang itulah yang akan proses menjadi briket kemudian superkarbon. Secara ringkas proses karbonisasi dapat ditampilkan dalam bagan berikut ini :
Gambar 2.9 Proses Karbonisasi Sumber: Oswan Kurniawan dan Marsono, (2008) 2. Metode Karbonisasi
Pelaksanaan karbonisasi meliputi teknik yang paling sederhana hingga yang paling canggih. Tentu saja metode pengarangan yang dipilih disesuaikan dengan kemampuan dan kondisi keuangan. Berikut dijelaskan beberapa metode karbonisasi (pengarangan).
a. Pengarangan terbuka
Metode pengarangan terbuka artinya pengarangan tidak di dalam ruangan sebagaimana mestinya. Risiko kegagalannya lebih besar karena udara langsung kontak dengan bahan baku. Metode pengarangan ini paling murah dan paling cepat, tetapi bagian yang menjadi abu juga paling banyak, terutama jika selama proses pengarangan tidak ditunggu dan dijaga. Selain itu bahan baku harus selalu dibolak-balik agar arang yang diperoleh seragam dan merata warnanya.
b. Pengarangan di dalam drum
Drum bekas aspal atau oli yang masih baik bisa digunakan sebagai tempat proses pengarangan. Metode pengarangan di dalam drum cukup praktis karena bahan baku tidak perlu ditunggu terus-menerus sampai menjadi arang
b. Pengarangan di dalam silo
Sistem pengarangan silo dapat diterapkan untuk produksi arang dalam jumlah banyak. Dinding dalam silo terbuat dari batu bata tahan api. Sementara itu, dinding luarnya disemen dan dipasang besi beton sedikitnya 4 buah tiang yang jaraknya disesuaikan dengan keliling silo. Sebaiknya sisi bawah silo diberi pintu yang berfungsi untuk mempermudah pengeluaran arang yang sudah jadi. Hal yang penting dalam metode ini adalah menyediakan air yang banyak untuk memadamkan bara.(7)
c. Pembuatan arang tongkol jagung
Pembuatan arang tongkol jagung menggunakan menggunakan reaktor pirolisis, dimana Reaktor Pirolisis adalah alat pengurai senyawa-senyawa organik yang dilakukan dengan proses pemanasan tanpa berhubungan langsung dengan udara luar dengan suhu 300-600 0C. Reaktor pirolisis dibalut dengan selimut dari bata dan tanah untuk menghindari panas keluar berlebih, memakai bahan bakar kompor minyak tanah atau gas. Proses pirolisis menghasilkan zat dalam tiga bentuk yaitu padat, gas dan cairan (Buckingham, 2010).
Cara penggunaan alat ini yaitu dengan memasukkan sampel ke dalam reaktor pirolisis dan ditutup rapat. Reaktor kemudian dipanaskan selama 5 jam. Destilat yang keluar dari reaktor ditampung dalam dua wadah. Wadah pertama untuk menampung fraksi berat, sedangkan wadah kedua untuk menampung fraksi ringan. Fraksi ringan ini diperoleh setelah dilewatkan tungku pendingin yang dilengkapi pipa berbentuk spiral
Gambar 2.10 Arang Tongkol Jagung
2.4 Proses Pembakaran
Pembakaran adalah proses konversi energi dari bentuk energi kimia berupa bahan bakar (padat, cair, gas) bersama oksigen yang berasal dari udara menjadi energi panas melalui reaksi kimia. Proses pembakaran dapat terjadi apabila ada tiga unsur berikut : sumber api, bahan bakar yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon, hidrogen, dan udara. Komposisi udara terdiri dari 29% Oksigen dan 71% Nitrogen.
Secara sederhana reaksi kimia yang terjadi pada proses pembakaran ada tiga proses :
...(2.1) Pada reaksi ini 2 mol karbon bereaksi dengan 1 mol oksigen dan menghasilkan karbon monoksida. Apabila terdapat oksigen yang memadai karbon monoksida akan teroksidasi menjadi karbondioksida dengan melepas energi tambahan :
...(2.2) ...(2.3) Dua mol hidrogen bereaksi dengan 1 mol oksigen yang menghasilkan 2 mol H2O
...(2.4) 1 mol sulfur bereaksi dengan 1 mol oksigen menghasilkan 1 mol sulfur dioksida. Pencampuran bahan bakar, udara, dan pemanasan bahan bakar yang cepat mengakibatkan senyawa hidrokarbon pecah menjadi senyawa yang lebih ringan dan akhirnya menjadi unsur dasarnya yaitu karbon dan hidrogen. Unsur hidrogen yang terbakar akan menghasilkan nyala api yang tak terlihat. Sedangkan unsur karbon yang terbakar menghasilakn nyala api kuning khas. Pembakaran dikatakan sempurna jika unsur karbon dan hidrogen yang terdapat dalam bahan bakar terbakar habis menjadi CO2 dan H2O. Apabila tidak terpenuhi maka pembakaran tak sempurna.
Berdasarkan perbandingan jumlah udara dan bahan bakar, proses pembakaran terbagi menjadi dua jenis yaitu :
d. Pembakaran oksidasi yaitu pembakaran yang dilakukan dengan kondisi kelebihan udara. Pembakaran seperti ini menghasilkan nyala api yang pendek dan bersih.
e. Pembakaran reduksi yaitu pembakaran yang dilakukan dengan kondisi kekurangan udara dan bahan bakar yang terlalu banyak. Pembakaran ini tidak sempurna dan akan menghasilkan nyala api yang panjang dengan asap yang banyak.
Gambar 2.11 Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna
(Biro Efisiensi Energi, 2004)
2.4.1 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Pembakaran
a. Mixing
Pembakaran sempurna memerlukan proses pencampuran antara bahan bakar yang digunakan dengan pembakaran udara yang merata. Pencampuran diperlukan untuk membantu mekanisme pembakaran, yaitu dengan mengantarkan oksigen mencapai permukaan karbon. b. Udara
Jumlah udara pembakaran sangat menentukan proses pembakaran. Pembakaran yang sempurna dapat dijamin dengan memberikan udara pada proses tersebut. Udara yang cukup menjadikan CO dapat beraksi lagi dengan O dan membentuk CO2.
c. Temperature
Pembakaran tidak akan berlangsung atau berhenti apabila temperatur nyala tidak tercapai atau tidak dipertahankan.
d. Waktu
Waktu yang cukup dalam reaksi pembakaran diantaranya waktu pencampuran dan pemanasan bahan bakar.
e. Kerapatan
Kerapatan yang cukup untuk perhambatan nyala api diperlukan untuk menjaga kelangsungan pembakaran
2.5 Parameter Pengujian
Parameter pengujian ini dilakukan untuk mengetahui effisiensi tungku yang dihasilkan oleh tungku, pengujian dilakukan dengan mendidihkan air dengan beban yang bervariasi. Pengujian ini dilakukan berdasarkan pengujian biomassa pada sekam padi (Bolenio, 2005) adapun parameter-parameter yang diperlukan adalah sebagai berikut :
a. Massa Tongkol Jagung Yang Masuk/ MTM (Kg)
Massa tongkol jagung yang masuk tempat pembakaran dapat diketahui dengan cara menimbang terlebih dahulu bahan bakar yang akan dimasukkan ke tempat pembakaran. b. Massa Campuran Tongkol Jagung/ MTC (Kg)
Setelah tungku berhenti beroperasi, abu hasil pembakaran dan sisa tongkol jagung yang tidak terbakar dalam tempat pembakaran dikeluarkan kemudian ditimbang. Massa hasil abu pembakaran dan sisa tongkol jagung yang tidak terbakar disebut massa campuran abu biji jarak.
c. Waktu Penyalaan (Jam)
Waktu yang digunakan untuk pembakaran awal tongkol jagung. d. Waktu Operasi (Jam)
Waktu operasi dihitung saat pembakaran tongkol jagung menghasilkan api sampai operasi tungku berakhir. Operasi tungku berakhir jika pembakaran didalam tempat pembakaran sudah tidak menghasilkan api.
e. Waktu Operasi Total (Jam)
Merupakan hasil penjumlahan waktu penyalaan dengan waktu operasi. f. Waktu Untuk Air mendidih (Jam)
Adalah waktu yang digunakan untuk mendidihkan air. g. Massa Uap Air (Kg)
Didapatkan dari hasil selisih antara volume air sebelum dimasak dengan sisa air setelah tungku tidak beroperasi lagi.
h. Temperatur Api (0C)
Temperatur api dapat diketahui dengan termokopel. i. Konsumsi Bahan Bakar Yang Digunakan/ Kbb (kg/Jam)
...(2.5)
j. Massa Tongkol Jagung Yang Terbakar/ MTT (kg)
Massa tongkol jagung yang terbakar adalah massa tongkol jagung yang masuk ke ruang pembakaran dikurang dengan massa campuran abu tongkol jagung yang belum terbakar setelah tungku beroperasi. Persamaan untuk menghitungnya adalah sebagai berikut :
...(2.6) k. Energi Panas Yang Masuk / Qi
Energi panas yang masuk adalah jumlah energi panas yang tersedia di bahan bakar, dapat dihitung dengan persamaan berikut :
...(2.7) Dengan :
WFU = massa bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran (kg) HFV = nilai kalor bahan bakar 4451 (kkal/kg) (1)
l. Sensibel Heat/ SH (kkal)
Sensibel Heat (SH) adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan air, pengukuran energi ini dilakukan dengan mengambil temperatur air sebelum dan sesudah mendidih menggubnakan termometer. Dengan persamaan
...(2.8) Dimana
Mw = Massa air (kg)
Cp = Kalor jenis air (0,9993 kkal/kg 0C) Tf = Temperatur air mendidih (0C)
Ti = Temperatur air sebelum mendidih (0C) m. Abu Yang Dihasilkan (%)
Rasio juymlah abu yang dihasilkan dalam proses pembakaran tongkol jagung berlangsung dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
...(2.9) n. Kalor Laten/ LH (kkal)
Merupakan jumlah energi panas yang digunakan untuk menguapkan air, dapat dihitug dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
...(2.10) Dimana
Mu = Massa uap air (kg) hfg = Entalpi air (540 kkal/kg) o. Effisiensi Tungku / ηT (%)
Effisiensi tungku merupakan perbandingan energi yang digunakan untuk mendidihkan air dan energi panas yang tersedia dalam bahan bakar untuk menguapkan air.
...(2.11) SH = Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air (kkal)
LH = Kalor laten (kkal)
HVF = Nilai kalor bahan bakar (kkal/kg)
MTT = Massa tongkol jagung yang terbakar (kg)
