COVER
Agar Melengkapi:
1. Sinopsis/Ringkasan (150-250 kata)
2. Kata Pengantar agar kalimatnya ditambahkan (dibuat minimal 2 paragraf)
Teknologi Pembangkit I
UU No 28 tahun 2014 tentang Hak Cipta Fungsi dan sifat hak cipta Pasal 4
Hak Cipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 3 huruf a merupakan hak eksklusif yang terdiri atas hak moral dan hak ekonomi.
Pembatasan Pelindungan Pasal 26
Ketentuan sebagaimana dimaksud dalam Pasal 23, Pasal 24, dan Pasal 25 tidak berlaku terhadap:
i Penggunaan kutipan singkat Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait untuk pelaporan peristiwa aktual yang ditujukan hanya untuk keperluan penyediaan informasi aktual;
ii Penggandaan Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait hanya untuk kepentingan penelitian ilmu pengetahuan;
iii Penggandaan Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait hanya untuk keperluan pengajaran, kecuali pertunjukan dan Fonogram yang telah dilakukan Pengumuman sebagai bahan ajar; dan
iv Penggunaan untuk kepentingan pendidikan dan pengembangan ilmu pengetahuan yang memungkinkan suatu Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait dapat digunakan tanpa izin Pelaku Pertunjukan, Produser Fonogram, atau Lembaga Penyiaran.
Sanksi Pelanggaran Pasal 113
1. Setiap Orang yang dengan tanpa hak melakukan pelanggaran hak ekonomi sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf i untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 1 (satu) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp100.000.000 (seratus juta rupiah).
2. Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf c, huruf d, huruf f, dan/atau huruf h untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 3 (tiga) tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).
Teknologi Pembangkit I
Qoriatul Fitriyah ST., M.Sc.Muhammad Prihadi Eko Wahyudi, ST., MT.
Penerbit
CV. MEDIA SAINS INDONESIA Melong Asih Regency B40 - Cijerah
Kota Bandung - Jawa Barat www.penerbit.medsan.co.id
TEKNOLOGI PEMBANGKIT I Qoriatul Fitriyah ST., M.Sc.
Muhammad Prihadi Eko Wahyudi, ST., MT.
Desain Cover :
Rintho Rante Rerung
Tata Letak :
Rizki Rino Pratama Proofreader :
Rintho Rante Rerung Ukuran :
B5: 18,2 x 25,7 cm Halaman :
vii, 90 ISBN :
978-623-6068-16-8 Terbit Pada :
Januari, 2021
Hak Cipta 2021, Pada Penulis Isi diluar tanggung jawab penerbit
Hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang keras menerjemahkan,
memfotokopi, atau memperbanyak sebagian atau seluruh isi buku ini tanpa izin tertulis dari Penerbit atau Penulis.
PENERBIT MEDIA SAINS INDONESIA (CV. MEDIA SAINS INDONESIA) Melong Asih Regency B40 - Cijerah Kota Bandung - Jawa Barat www.penerbit.medsan.co.id
i
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah Subhanallahu wa Ta’ala karena atas limpahan berkat-Nyalah buku ini bisa ditulis tepat waktu.
Terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan pada ayah dan ibu tercinta atas segala dukungannya sehingga penulis selalu mendapatkan spirit dan motivasi agar terus bergerak maju. Terima kasih juga penulis ucapkan pada keluarga. Thank you all for your trust in me.
Semoga buku ini menjadi salah satu panduan bagi mahasiswa dan rekan-rekan yang ini mempelajari ilmu tentang Pembangkit Tenaga Listrik terutama terkait dengan materi bahan bakar.
Batam, Januari 2021 Tim Penulis
ii
iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR GAMBAR... v
DAFTAR TABEL ... vii
BAB 1 PENGANTAR BAHAN BAKAR ... 1
BAB 2 BATUBARA ... 11
BAB 3 MINYAK BUMI ... 17
BAB 4 GAS ALAM ... 23
BAB 5 HIMPUNAN BAHAN BAKAR ... 27
BAB 6 ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT ... 33
BAB 7 PARAMETER BAHAN BAKAR ... 39
BAB 8 SEGITIGA BUNTE DAN OSTWALD ... 55
BAB 9 PERTANYAAN DAN JAWABAN ... 63
DAFTAR PUSTAKA ... 91
iv
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Turbin ... 1
Gambar 2. Ilustrasi Gambut (Peatlands)... 2
Gambar 3. Ilustrasi Hard Coal ("Coal," 7 March 2007) ... 3
Gambar 4. Ilustrasi Lignit (Lefterov, 30 December 2007) ... 3
Gambar 5. Kapal Pengangkutan Batu Bara (Wahyudi, 3 January 2019) ... 5
Gambar 6. Contoh Hard Coal Open Cast Mines di Kalimantan (Hidayat, 17 October 2017) ... 6
Gambar 7. Ilustrasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap di Tepi Laut (Ireng, 30 December 2017) ... 7
Gambar 8. Pembangkit Listrik Toppila, Finlandia ("The Toppila Power Station, a peat-fired facility in Oulu, Finland," 4 February 2006) ... 8
Gambar 9. Ilustrasi Pembentukan Batu Bara (Sweeney) ... 11
Gambar 10. Ilustrasi Pelet Kayu (Sugiharto, 21 September 2019) 13 Gambar 11. Briket Batu Bara (Hendri, 19 July 2010) ... 14
Gambar 12. Bongkahan Kokas (Stahlkocher, 10 December 2006) 15 Gambar 13. Ilustrasi Pembentukan Minyak Bumi dan Gas (Edwin Cey, 4 January 2019) ... 17
Gambar 14. Gasometer di Vienna (Bwag/Wikimedia, 15 August 2015) ... 19
Gambar 15. Ilustrasi Penambangan Minyak Mentah (Antara, 2018) ... 20
Gambar 16. Korosi pada Bilah Turbin akibat Vanadium (Contributors, 20 January 2017) ... 28
Gambar 17. Pendekatan Langsung Bahan Bakar ... 30
Gambar 19. Titik Didih dari Extra Light Fuel Oil ... 45
Gambar 20. Kurva Uap Bertekanan ... 49
Gambar 21. Segitiga Bunte untuk Berbagai Jenis Bahan Bakar dan Pembakaran Sempurna ... 55
Gambar 22. Segitiga Ostwald untuk Heavy Fuel Oil ... 57
Gambar 23. Titik Embun Uap dan Rasio Udara ... 59
Gambar 24. Pengaruh Kandungan Sulfur pada Titik Embun Asam Sulfur ... 61
Gambar 5. Kapal Pengangkutan Batu Bara (Wahyudi, 3 January 2019) ... 67
vi
Gambar 8. Pembangkit Listrik Toppila, Finlandia ("The Toppila Power Station, a peat-fired facility in Oulu, Finland," 4
February 2006) ... 68
Gambar 9. Ilustrasi Pembentukan Batu Bara (Sweeney) ... 69
Gambar 17. Pendekatan Langsung Bahan Bakar ... 71
Gambar 4. Ilustrasi Lignit (Lefterov, 30 December 2007) ... 73
Gambar 18. Kokas sebagai Bahan Baku Peleburan Bijih Besi ("Proses Pengolahan Besi dan Baja," 10 January 2019) ... 73
Gambar 12. Bongkahan Kokas (Stahlkocher, 10 December 2006) .. 74
Gambar 13. Ilustrasi Pembentukan Minyak Bumi dan Gas (Edwin Cey, 4 January 2019) ... 75
Gambar 15. Ilustrasi Penambangan Minyak Mentah (Antara, 2018) ... 76
Gambar 11. Briket Batu Bara (Hendri, 19 July 2010) ... 77
Gambar 14. Gasometer di Vienna (Bwag/Wikimedia, 15 August 2015) ... 78
Gambar 16. Korosi pada Bilah Turbin akibat Vanadium (Contributors, 20 January 2017) ... 79
Gambar 6. Contoh Hard Coal Open Cast Mines di Kalimantan (Hidayat, 17 October 2017) ... 83
Gambar 19. Titik Didih dari Extra Light Fuel Oil ... 85
Gambar 20. Kurva Uap Bertekanan ... 87
Gambar 22. Segitiga Ostwald untuk Heavy Fuel Oil ... 90
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Nilai kalor untuk setiap contoh bahan bakar ... 2
Tabel 2. Perbedaan Jenis Batu Bara ... 12
Tabel 3. Konstituen dari Minyak Bumi ... 19
Tabel 4. Konstitusi dari Bahan Bakar Gas ... 23
Tabel 5. Himpunan Bahan Bakar Padat, Cair dan Gas ... 27
Tabel 6. Analisis Dasar Bahan Bakar Padat dengan Substansi Bebas Abu dan Air ... 33
Tabel 7. Nilai Kalor dan Analisis Prediksi Bahan Bakar Padat ... 39
Tabel 8. Prosedur Produksi pada Beberapa Bahan Bakar ... 47
Tabel 9. Rasio Udara untuk Beberapa Jenis Sistem Firing ... 49
1
BAB 1
PENGANTAR BAHAN BAKAR
ahan bakar nuklir memiliki energi potensial yang dikeluarkan melalui reaksi nuklir. Sementara energi fosil memiliki energi potensial yang dikeluarkan melalui reaksi kimia. Pada akhirnya, energi dikeluarkan kemudian dikonversikan dalam bentuk panas (kalor). Kalor ini digunakan untuk memanaskan air dan menggerakkan turbin atau generator pada pembangkit listrik.
Gambar 1. Turbin
Di antara bahan bakar padat, kita memiliki batu bara. Batu bara umumnya dipisahkan antara batu bara muda dan tua. Batu bara termuda disebut sebagai gambut (peat). Gambut ini nampak seperti kotoran berlumpur.
B
PENGANTAR BAHAN BAKAR
2
Gambar 2. Ilustrasi Gambut (Peatlands)
Adapun batu bara yang lebih tua adalah jenis lignit yang berwarna kecoklatan. Batu bara keras (hard coal) juga ada di muka bumi dan disebut sebagai batu bara tertua. Sebetulnya masih banyak jenis subtipe batu bara lain yang bisa dibahas dalam buku tersendiri.
Perbedaan batu bara ini bisa diklasifikasikan menurut kandungan nilai kalornya, atau biasa disebut dengan kandungan energi.
Tabel 1. Nilai kalor untuk setiap contoh bahan bakar
Bahan Bakar Nilai
Kalor Satuan
Hard coal 25,0-31,0 MJ/kg
Lignit 7,0-30,0 MJ/kg
Gambut 6,3-8,4 MJ/kg
Bahan bakar minyak 40,0-43,0 MJ/kg
Gas alam 30,0-35,0 MJ/m3
Batu bara keras (hard coal) memiliki kandungan nilai kalor terbesar dibandingkan jenis batu bara lain dengan simpanan energi sebesar 30 MJ/kg.
PENGANTAR BAHAN BAKAR
3
Gambar 3. Ilustrasi Hard Coal ("Coal," 7 March 2007)
Lignit sendiri sebagai bentuk batu bara muda, memiliki simpangan nilai kalor yang bervariasi, antara 7 MJ/kg hingga 30 MJ/kg.
Gambar 4. Ilustrasi Lignit (Lefterov, 30 December 2007)
Untuk menghidupkan pembangkit listrik, anggap saja 1000 MW, kita bisa menghitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan dengan bantuan nilai kalornya. Karena 1000 MW merupakan daya elektrik yang dibutuhkan, maka daya termalnya akan jauh lebih banyak. Efisiensi termal pembangkit listrik tua adalah 30% dan pembangkit baru bisa mencapai efisiensi lebih dari 40%. Anggap saja efisiensinya 33%, maka kita akan membutuhkan energi sebesar 3030 MJ/s atau setara dengan 101 kg hard coal per detik.
Angka ini setara dengan 364 ton hard coal per jam. Apabila kita
PENGANTAR BAHAN BAKAR
4
membayangkan satu gerbong kereta api bisa mengangkut 20 ton batu bara, maka kita membutuhkan 18 gerbong setiap jamnya.
Tentu saja, 1000 MW merupakan pembangkit listrik yang sangat besar, namun disini kita bisa membayangkan kebutuhan bahan bakar yang sangat besar untuk pembangkit.
Simulasi perhitungan di atas bisa dilihat sebagaimana berikut:
Diketahui:
ƞ𝑡ℎ= 33%
Maka,
𝑃𝑡ℎ=1000 𝑀𝑊 33%
𝑃𝑡ℎ= 3030 𝑀𝑊 𝑃𝑡ℎ = 3030 𝑀𝐽
𝑠
Untuk hard coal dengan nilai kalor spesifik q 30 MJ/kg maka,
𝑚̇ =𝑃𝑡ℎ 𝑞
𝑚̇ =3030 𝑀𝐽 𝑠 30 𝑀𝐽
𝑘𝑔 𝑚̇ = 101 𝑘𝑔
𝑠 Dengan:
ƞ𝑡ℎ = efisiensi termal pembangkit listrik 𝑃𝑡ℎ = daya termal pembangkit listrik (MJ/s) 𝑚̇ = aliran massa (kg/s)
𝑞 = kalor spesifik (MJ/kg)
PENGANTAR BAHAN BAKAR
5
Pada umumnya, pembangkit listrik batu bara terletak di dekat sungai besar maupun laut, dan mereka menggunakan kapal, bukan kereta api sebagai alat transportasi bahan bakarnya. Sungai maupun laut juga bisa dipakai sebagai alat pendingin bagi pembangkit.
Adapun lignit ataupun gambut akan membutuhkan dua bahkan empat kali lipat bahan bakar lebih banyak daripada apabila kita menggunakan hard coal sebagai bahan bakarnya. Dari sini kita bisa memikirkan masalah apa saja yang akan timbul kemudian.
Bukan hanya masalah transportasi yang mahal dan berlipat, melainkan juga problem logistik. Oleh karena itu, pada pembangkit yang menggunakan lignit sebagai bahan bakarnya, lokasi pembangkit listrik akan berada cukup dekat dari tambang dan listriknya yang akan ditransportasikan, bukan sebaliknya.
Sedangkan untuk hard coal, karena kandungan kalornya cukup tinggi, maka mentransportasikan bahan bakar saja tidak akan menjadi masalah.
Gambar 5. Kapal Pengangkutan Batu Bara (Wahyudi, 3 January 2019)
Kesimpulannya, untuk bahan bakar dengan nilai kalor rendah, kecenderungannya adalah mentransportasikan listrik, bukan bahan bakar. Sedangkan untuk bahan bakar dengan nilai kalor
PENGANTAR BAHAN BAKAR
6
tinggi, seperti gas alam dan bahan bakar minyak, kecenderungannya adalah mentransportasikan bahan bakar, baik melalui kapal maupun pipa-pipa.
Tambang batu bara beraneka ragam dari wilayah ke wilayah. Di beberapa negara seperti Jerman, batu bara harus diambil dari kedalaman 3 km, sehingga biaya penambangan menjadi sangat mahal harganya. Di negara lain seperti Indonesia, tambang batu bara ditambang dalam kondisi terbuka (open cast mines) sehingga biaya penambangan menjadi jauh lebih murah.
Gambar 6. Contoh Hard Coal Open Cast Mines di Kalimantan (Hidayat, 17 October 2017)
Dalam kondisi seperti ini, apabila kita membatasi diri hanya menggunakan hard coal sebagai bahan bakar pembangkit, maka pengecekan di pasar dunia bisa dilakukan untuk mencari harga termurah. Batu bara di Indonesia untuk jenis hard coal akan lebih murah daripada batu bara untuk jenis yang sama di Jerman karena dua (2) faktor:
1. Tenaga kerja di Indonesia murah Dan atau;
2. Jenis penambangannya lebih mudah (open cast mines)
PENGANTAR BAHAN BAKAR
7
Jenis open cast mines ini banyak ditemukan di negara seperti Indonesia dan Australia. Transportasi hasil tambang ini umumnya melalui kapal untuk kemudian dibawa ke garis pantai tujuan. Hasil dari batu bara hard coal open cast mines yang dikirimkan lewat kapal ini akan menghasilkan nilai cost production yang rendah. Hal ini tentu saja berbeda apabila pembangkit berada tidak di garis pantai, melainkan di dekat sungai sehingga biaya transportasi bahan bakar akan naik.
Gambar 7. Ilustrasi Pembangkit Listrik Tenaga Uap di Tepi Laut (Ireng, 30 December 2017)
Apabila pembangkit berada di tepi pantai, jalur transmisi listrik tegangan tinggi akan dibangun untuk mengirimkan energi listrik ke tengah kota.
Dari kasus ini kita belajar bahwa upaya impor lignit bukan pilihan bagus karena kandungan energinya yang rendah. Akan tetapi, karena kebutuhan energi sangat tinggi di negara besar dengan pertumbuhan ekonomi yang tinggi seperti Cina, mereka bahkan melakukan impor lignit dari negara lain. Oleh karena itu, lignit juga bisa ditransportasikan untuk impor namun dengan persentase yang jauh lebih rendah dibandingkan hard coal.
PENGANTAR BAHAN BAKAR
8
Adapun negara yang tidak memiliki cadangan bahan bakar fosil, seperti Denmark, Irlandia dan Finlandia, mereka menjadi tergantung pada gambut. Sebagai contoh di Finlandia yang memiliki jumlah danau yang cukup melimpah, area di sekitar danau tersebut akan penuh dengan lumpur yang berasal dari material organik. Lumpur ini kemudian diambil dan dikeringkan saat musim panas tiba sampai mengering, kehilangan semua kandungan air dan bisa dibakar. Pada musim dingin, lumpur ini dipanen, kemudian dibawa ke pembangkit listrik untuk menjadi bahan bakar bagi pembangkit selama 2-4 bulan.
Gambar 8. Pembangkit Listrik Toppila, Finlandia ("The Toppila Power Station, a peat-fired facility in Oulu, Finland," 4 February 2006)
Pembangkit ini tidak dioperasikan sepanjang tahun karena gambut sendiri perlu dikeringkan dan itu hanya bisa dilakukan secara alami di musim panas. Selain itu apabila dilihat dari sisi ekonomi, tidaklah menguntungkan untuk mentransportasikan gambut dalam jarak jauh. Jarak maksimal yang bisa digunakan adalah 20-
PENGANTAR BAHAN BAKAR
9
30 km. Sebagai akibatnya, pembangkit listrik untuk gambut ini akan berada di dekat area pengambilan lumpur tersebut.
Adapun situasi minyak bumi dan gas alam akan berbeda. Secara natural, minyak mentah akan dipisahkan berdasarkan konstituennya. Minyak mentah sendiri tidak digunakan untuk bahan bakar motor misalnya. Sebagai contoh, pesawat terbang umumnya menggunakan kerosene sebagai bahan bakarnya.
Kerosene merupakan fraksi dari minyak bumi dengan titik didih yang rendah. Contoh lain, light fuel oil atau diesel juga memiliki titik didih yang rendah, yaitu 200-300 ˚C.
Adapun heavy fuel oil (seperti tar atau lumpur hitam) adalah zat padat pada temperatur ruang. Minyak jenis ini perlu dipanaskan sebelum dipompa. Tidak ada motor yang bisa bekerja dengan jenis bahan bakar seperti ini. Akan tetapi karena kandungan energinya cukup baik dan harganya murah, heavy fuel oil digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik.
Ada banyak jenis bahan bakar yang lain selain contoh tersebut di atas. Sebagai contoh, lapisan di sisi terluar antara batu bara dengan mineral lainnya merupakan campuran antara batu bara dan mineral. Campuran ini disebut sebagai batu bara kualitas rendah. Bahan ini bisa dibakar dan memiliki kandungan energi di dalamnya.
Kecenderungan untuk menggunakan bahan bakar berkualitas rendah kembali popular belakangan ini mengingat tingginya harga bahan bakar atau semakin langkanya cadangan bahan bakar tidak terbarukan.
Untuk bahan bakar minyak, semakin rendah harga minyak berarti semakin banyak kandungan bahan kimia lain di dalam minyak yang akan kita bakar. Sebagai contoh, apabila kita memiliki pabrik
PENGANTAR BAHAN BAKAR
10
pengolahan kimia, pabrik tersebut akan menghasilkan produk sampingan (limbah). Bahan kimia ini akan lebih baik apabila dibakar daripada dibuang begitu saja ke sungai. Dengan pembakaran limbah tersebut, kita bisa memproduksi panas dimana panasnya bisa digunakan dalam reaksi kimia di pabrik kita.
Hal ini akan menguntungkan meskipun kandungan energinya rendah, hanya 5,0 MJ/kg apabila dibandingkan dengan bahan bakar minyak sebesar 40 MJ/kg. Akan tetapi, ini masih energi yang tidak ingin dibuang begitu saja.
Apabila bahan kimia ini sulit atau tidak bisa dibakar sendiri, maka penambahan bakar bakar konvensional lain bisa dilakukan.
Contohnya pada co incinerator limbah lumpur (got), atau limbah pulp kertas yang tidak bisa dibuang atau dibakar dengan mudah.
Kandungan utamanya adalah air sehingga kita membutuhkan bahan bakar lain sebagai pendukungnya.
Apabila kita menggunakan bahan bakar yang kandungan utamanya adalah air, maka kadang ia bisa terbakar, namun kadangkala tidak. Hal ini tergantung dari komposisi molekul karbohidrat bahan bakar dan tipe firing yang digunakan.
Bahkan gas alam pun mengandung gas lain seperti nitrogen, karbon dioksida dan uap air. Biogas juga tidak murni gas metan.
Jadi beberapa kandungan di dalamnya, ada yang bisa terbakar, ada pula yang sulit terbakar.
11
BAB 2
BATUBARA
Gambar 9. Ilustrasi Pembentukan Batu Bara (Sweeney)
roses pembentukan batu bara diawali dengan jatuhnya pepohonan dan tanaman yang mati ke tanah berlumpur. Satu kondisi penting yang harus ada untuk pembentukan batu bara adalah ketiadaan udara dan material tersebut harus tertutup dengan baik (sealed). Apabila ada udara, proses pembusukan mungkin terjadi. Apabila ia tertutup dengan sempurna (sealed) oleh air misalnya, maka kumpulan karbohidrat dan karbon berada di bawah air. Dengan tumpukan lapisan baru di atas sejalan dengan bertambahnya waktu, mereka akan menekan lapisan terus-menerus sehingga tekanannya pun naik. Air dan kadangkala gas, akan keluar dari lapisan tersebut. Temperatur juga akan meningkat. Hasilnya adalah lapisan padat sebagai lapisan mula batu bara. Proses ini akan berulang terus menerus selama jutaan
P
BATU BARA
12
tahun sehingga lumpur berubah menjadi gambut, gambut berubah menjadi lignit dan akhirnya hard coal pun terbentuk.
Tabel 2. Perbedaan Jenis Batu Bara
Bahan Bakar
Massa
Jenis Nilai Kalor Kandu ngan Air
Kandu ngan Materi Volatil
Kandun gan Karbon
g/cm3 MJ/kg % % dari
materi kering
% dari materi kering
kayu 0,2-1,3 14,7 kering 80 50
gambut 1 6,3-8,4 60-90 65 55-65
lignit lunak 1,2 7,5-12,6 30-60 50-60 65-70 lignit keras 1,25 16,8-29,3 10-30 45-50 70-80 hard coal 1,3 29,3-33,4 3-10 17-45 80-90 hard coal 1,35 33,5-35,6 3-10 7-17 90-93 antrasit 1,4-1,6 35,6-37,7 1-2 4-7 93-98
Berdasarkan tabel di atas, bisa dilihat perbedaan batu bara dilihat dari umur, muda ke tua. Akibat tekanan yang dilakukan selama jutaan tahun, massa jenis batu bara akan meningkat sejalan dengan waktu. Massa jenis meningkat dari 0,2 g/cm3 untuk kayu menjadi 1,6 g/cm3 untuk antrasit.
Kayu adalah bahan bakar tradisional yang telah digunakan dalam kurun waktu yang lama. Kayu umumnya dikeringkan terlebih dahulu sebelum dibakar untuk menghindari terbuangnya energi akibat penguapan air. Pengeringan alami dengan bantuan udara terjadi dalam kurun waktu dua tahun atau bahkan lebih lama.
BATU BARA
13
Kayu kering memiliki nilai kalor yang cukup bagus yaitu sebesar 14,7 MJ/kg.
Dengan menggunakan kayu sebagai bahan bakar, kita dapat merebus air atau menghasilkan jenis bahan bakar yang lain. Pelet kayu dapat dibuat dari serbuk kayu hasil gergaji. Pelet ini dapat digunakan dalam proses memasak atau penghangat ruangan di negara-negara beriklim subtropis.
Permintaan pasar akan pelet kayu ini cukup tinggi sehingga harganya pun menjadi mahal. Meskipun permintaan dan penawaran pelet kayu seimbang, bahan bakar ini tetap bukan bahan bakar yang murah. Selain itu kita juga harus memperhitungkan tempat penyimpanan pelet agar tidak mudah terbakar. Pelet kayu disebut juga sebagai bahan bakar buatan (artifisial).
Gambar 10. Ilustrasi Pelet Kayu (Sugiharto, 21 September 2019)
Contoh bahan bakar buatan yang lain adalah briket batu bara. Tar ditambahkan pada serbuk batu bara untuk membuatnya lengket satu sama lain. Semua jenis bahan bakar yang merupakan produk pabrik disebut sebagai bahan bakar buatan. Briket batu bara sangat popular di negara subtropis sebagai pemanas ruangan di tahun 1950-1960 an.
BATU BARA
14
Gambar 11. Briket Batu Bara (Hendri, 19 July 2010)
Nilai kalor batu bara meningkat dari gambut ke antrasit. Antrasit merupakan batu bara tua dengan kualitas tertinggi. Hal ini disebabkan karena turunnya persentase air. Kandungan air akan terus menurun dari batu bara muda ke batu bara tua. Lignit lunak akan mengandung 50% air.
Kandungan air ini merupakan masalah serius di negara subtropis terutama pada musim dingin dengan temperatur yang sangat rendah. Lignit dengan kandungan air yang tinggi sangat mungkin membeku di open cast mine. Untuk membakarnya, kita perlu menghancurkan gumpalan es lignit tersebut. Apabila lignit tersebut digunakan untuk menyalakan pembangkit, kita perlu perlu memulai pembakaran dengan menggunakan bahan bakar minyak terlebih dahulu.
Bahan volatile adalah gas yang terdorong keluar ketika bahan bakar dipanaskan. Kandungan volatile akan tersedia pada temperatur 35-400 ˚C. pada kondisi standar 800-850 ˚C, semua gas telah keluar dari bahan bakar.
BATU BARA
15
Pada temperatur 100 ˚C, air keluar karena air akan mulai berubah fase dari cairan menjadi gas pada temperatur tersebut untuk tekanan 1 atm. Apabila bahan bakar terus dipanaskan, maka gas akan keluar seutuhnya. Setelah dipanaskan cukup lama dengan temperatur yang sangat tinggi, yang tersisa adalah kokas (coke).
Kokas juga merupakan bahan bakar buatan dengan nilai kalor yang sangat tinggi. Kokas dipakai dalam proses pelelehan bijih besi.
Gambar 12. Bongkahan Kokas (Stahlkocher, 10 December 2006)
Permintaan pasar akan kokas masih cukup tinggi. Kokas adalah padatan dari bahan bakar. Batu bara terdiri dari air, gas dan padatan. Ketika batu bara dibakar, gas bercampur dengan udara dan membuat nyala api. Namun ketika kokas mulai terbakar, dia hanya berkilau kemerahan tanpa adanya nyala api. Hal ini disebabkan karena ketiadaan gas di dalam kokas yang membuat nyala api. Proses ini disebut sebagai pembakaran padat (solid combustion).
Dalam proses pembakaran, nyala api lebih mudah untuk diawali daripada pembakaran padat. Ketika gas terbakar, temperatur meningkat dan oleh karena itu mulai membakar bagian padatnya.
BATU BARA
16
Apabila kita menggunakan kokas dengan gas yang hampir tidak ada, itu berarti kita membutuhkan bahan bakar pemicu (start up fuel).
Karbon adalah bahan bakar. Kandungan karbon pada umumnya langsung diartikan dengan kandungan kalor sebagaimana karbon berubah menjadi karbon dioksida saat melepaskan hampir seluruh panasnya. Ada substansi material lain yang muncul seperti sulfur, nitrogen maupun oksigen.
Karena mayoritas panas dilepaskan oleh karbon, manusia menerjemahkan kandungan karbon untuk mendefinisikan jumlah energi yang dilepaskan oleh bahan bakar.
17
BAB 3
MINYAK BUMI
Gambar 13. Ilustrasi Pembentukan Minyak Bumi dan Gas (Edwin Cey, 4 January 2019)
roses pembentukan minyak bumi dan gas alam sama dengan batu bara, hanya saja proses ini tidak melibatkan tumbuhan yang mati, melainkan hewan mati. Sebelum zaman dinosaurus purba, hewan seperti kerang dan kepiting mati membentuk material organik yang dibutuhkan dalam proses pembentukan minyak bumi. Mereka terkumpul di dasar dan tertutup oleh air sehingga tidak mengalami pembusukan. Oleh karena itu, kita mendapatkan lapisan minyak bumi dan gas alam di dasar laut.
Sejalan dengan waktu, akan lebih banyak lapisan yang terbentuk di atasnya. Tekanan pun akan terus meningkat. Air keluar dari lapisan organik ini. Setelah jutaan tahun, minyak mentah dan gas alam pun terbentuk. Gas alam akan terbentuk apabila terdapat lapisan mineral penutup yang terisolasi denan baik untuk menjaga agar gas tersebut tetap berada disana. Jika tidak, maka gas pun akan hilang. Diperkirakan terdapat 98% gas alam yang terbentuk di muka bumi hilang begitu saja karena ketiadaan lapisan penutup
P
MINYAK BUMI
18
tersebut. Gas alam akan terjebak di atas minyak bumi karena massa jenisnya lebih ringan dibandingkan minyak. Oleh karena itu, gas alam selalu ditemukan bersama minyak bumi, bukan sebaliknya. Apabila cadangan gas alamnya tidak terlalu banyak, umumnya gas tersebut akan dibuang begitu saja dengan cara dibakar.
Gas alam dan minyak bumi telah dipergunakan dalam waktu yang sangat lama. Minyak dipergunakan untuk menyalakan lampu, mengencangkan kapal agar anti bocor dan seterusnya. Minyak tidak hanya digunakan sebagai bahan bakar namun juga untuk keperluan penyegelan (sealing) permukaan benda.
Di akhir abad ke 19, motor bakar ditemukan, dan manusia pun menemukan cara untuk menggunakan minyak bumi.
Sekitar tahun 1950, manusia mulai menggunakan gas alam sebagai bahan bakar. Sebelum itu, teknologi ekstraksi gas belum ditemukan, sehingga gas alam hanya dibakar begitu saja di tambang alam.
Saat ini, teknologi pemipaan telah berkembang dengan baik.
Namun di masa lalu, ada saat ketika kota-kota di Eropa ingin menyalakan lampu jalan di malam hari. Lampu tersebut dinyalakan dengan gas batu bara. Batu bara ketika dipanaskan akan menghasilkan gas. Gas ini disimpan dalam tangki besar yang disebut dengan gasometer sebagai tempat penyimpanan sementara. Saat ini gasometer hanya berada dalam museum saja.
MINYAK BUMI
19
Gambar 14. Gasometer di Vienna (Bwag/Wikimedia, 15 August 2015)
Gas alam, di lain pihak, telah dipakai selama lebih dari 50 tahun, sementara minyak bumi telah dimanfaatkan selama 130 tahun.
Minyak bumi pada dasarnya merupakan campuran dari berbagai senyawa dan tidak bisa dideskripsikan hanya dalam satu bentuk formula kimia seperti gas alam yang sebagian besar adalah gas metan (CH4).
Tabel 3. Konstituen dari Minyak Bumi Persentase Konstituen Nama Senyawa
Kimia 45% paraffines CnH2n+2
31% naphtenes CnH2n
20% benzenes CnHn
4% senyawa olefinik CnH2n
Minyak bumi terdiri dari benzene, paraffin, napthene dan senyawa lainnya. Apabila kita mulai membakar minyak ini, pertama kali minyak akan diubah menjadi gas dan minyak akan terkonvensi menjadi gas dalam temperatur yang berbeda-beda.
MINYAK BUMI
20
Minyak mentah terdiri dari lebih banyak lagi konstituen. Terdapat banyak sekali senyawa kimia yang tergabung di dalamnya. Apabila kita ingin mendapatkan konstituen yang berbeda-beda, maka kita harus menguapkan minyak mentah terlebih dahulu. Ketika semuanya menguap, temperatur perlahan turun dan konstituen yang berbada-beda akan mencair pada temperatur yang berbeda- beda. Proses ini dinamakan distilasi fraksional.
Gambar 15. Ilustrasi Penambangan Minyak Mentah (Antara, 2018)
Distilasi fraksional ini menghasilkan berbagai jenis konstituen, termasuk di antaranya heavy fuel oil, light fuel oil, gasoline, dan kerosene. Pemisahan konstituen berdasarkan titik didih ini dilakukan di kilang minyak.
Minyak artifisial ini dibuat, alih-alih menggunakan minyak mentah karena untuk mulai melakukan pembakaran, minyak harus diubah menjadi gas. Sebagaimana telah disinggung di atas, minyak mentah memiliki titik didih yang berbeda-beda. Akibatnya, temperatur pun akan berbeda-beda. Sedangkan minyak artifisial akan memiliki titik didih yang spesifik dengan properti yang sama persis, dan inilah yang dibutuhkan untuk proses pembakaran.
Pada minyak mentah, hal ini tidak bisa terjadi. Minyak mentah memiliki titik didih yang sangat bervariasi, dari tar hingga
MINYAK BUMI
21
kerosene. Beberapa bagian dari minyak mentah butuh waktu lama untuk mendidih sementara bagian lainnya tidak.
Hal ini bisa dimaklumi untuk aplikasi rumah tangga atau membakar api unggun misalnya. Namun tidak demikian halnya dengan motor. Oleh karena itu, penting dilakukan distilasi fraksional agar minyak ini bersifat homogen.
Rantai minyak pada dasarnya merupakan susunan dari atom karbon (C) dan hidrogen (H). Oksigen (O) tidak muncul di minyak, begitu pula dengan besi (Fe). Sulfur bisa terdapat dalam minyak bumi, tergantung kualitas minyak dengan angka yang bervariasi mulai dari 0% hingga 6-7%.
Karena bentuk minyak adalah cairan dan sulit menemukan sisa besi atau metal lain dalam bentuk cairan, kita bisa menyimpulkan bahwa sebagian besar minyak merupakan karbon (C) dan hidrogen (H), dan kita mendapatkan gas karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) ketika kita membakarnya, hampir tanpa sisa ampas yang lain.
Tidak ada abu di pembakaran motor Anda ketika kita menggunakan minyak sebagai bahan bakarnya. Ampas ini akan semakin sedikit ketika bahan bakar yang digunakan adalah gas.
Hal yang sama tidak akan terjadi pada batu bara. Batu bara memiliki kandungan organik yang akan dibakar pada elevasi temperatur tertentu guna menghindari produksi material beracun seperti dioksin.
22
23
BAB 4
GAS ALAM
ecara kimia, susunan molekul gas alam lebih sederhana daripada minyak bumi. Gas alam sebagian besar terdiri dari metan. Beberapa jenis karbohidrat yang lain mungkin muncul dalam gas yang terbakar dalam jumlah kecil. Gas alam dengan nilai kalori yang rendah akan mengandung banyak nitrogen.
Tabel 4. Konstitusi dari Bahan Bakar Gas Molekul
kimia nat.gas
H nat.gas
L generator
gas coke
gas refinery gas
H2 - - 12% 54,50% 45%
CO - - 28% 5,50% 35%
CH4 93% 81,80% 0,40% 25,40% 1,00%
C2H6 3,00% 2,80% - - -
C3H8 1,30% 0,40% - - -
C4H10 0,60% 0,20% - - -
CnHm - - - 2,30% 10%
CO2 1,00% 0,80% 5,00% 2,30% 4%
N2 1,10% 14,00% 54,50% 9,60% 5%
Gas propane dan butana (camping gas) juga merupakan bagian dari gas alam. Gas ini bisa dibakar dan tidak menguntungkan secara komersil untuk memisahkannya, oleh karena itu dalam praktik di lapangan, hal ini tidak dilakukan.
S
GAS ALAM
24
Jenis gas yang lain terutama terdiri dari hidrogen dan karbon monoksida. Gas kokas (coke gas) diproduksi saat batu bara dipanaskan hingga gasnya keluar. Gas ini terdiri dari hidrogen, karbon monoksida dan gas metan. Gas kokas terutama digunakan untuk penerangan jalan dan disimpan di gasometer satu abad lalu sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Gas ini juga dipakai di kompor rumah tangga sebelum beralih ke kompor berbahan bakar gas alam. Gas kokas ini memiliki nilai kalor yang rendah dan beracun.
Karbon monoksida dapat memblokir saluran pernafasan mengakibatkan sesak nafas hingga kematian. Hal ini merupakan salah satu alasan kenapa manusia beralih dari gas kokas ke gas alam.
Gas generator dihasilkan dari pembakaran tanur tinggi dimana bijih besi dilelehkan guna mendapatkan besi. Kokas dipaparkan pada udara yang lembab, karbon dioksida terbentuk dan air terkonversi menjadi hidrogen. Gas ini merupakan produk samping dari pelelehan bijih besi. Walaupun begitu, gas ini bisa dibakar karena terdiri dari sekitar 40% hidrogen dan karbon monoksida.
Gas generator bisa digunakan untuk proses yang melibatkan pemanasan pada pabrik, atau untuk memutar turbin gas sehingga menghasilkan energi listrik. Akan tetapi yang perlu diingat, karbon monoksida bukan merupakan jenis bahan bakar berkualitas baik sehingga disebut sebagai bahan bakar dengan kualitas yang rendah.
Gas kilang minyak (refinery gas) didapatkan dalam proses distilasi minyak. Setelah cairan terpisah berdasarkan titik didihnya, refinery gas pun tersisa. Sebagian besar gas ini tersusun atas
GAS ALAM
25
hidrogen yang tidak bisa dicairkan. Gas tersebut bisa dibakar dan dimanfaatkan sebagai sumber energi.
26
27
BAB 5
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
da jenis bahan bakar yang lain seperti biogas yang memiliki kandungan sulfur tinggi. Untuk bahan bakar gas, kita bisa mengetahui jenis senyawanya dan kita bisa memisahkan mereka.
Untuk bahan bakar cair, hal ini sulit dilakukan mengingat susunan rantai kimianya lebih rumit dibandingkan gas. Adapun bahan bakar padat, kita juga menemukan kandungan mineral di dalamnya dan ditunjukkan hanya dalam persen (%).
Semua jenis bahan bakar ini memiliki air. Semua jenis bahan bakar ini bisa mengandung sulfur dalam bentuk yang berbeda- beda. Sulfur dioksida dihasilkan setelah pembakaran dan terikat dengan regulasi emisi. Sulfur dioksida tidak boleh dilepas langsung ke udara atau pembangkit harus memiliki unit desulfurisasi.
Tabel 5. Himpunan Bahan Bakar Padat, Cair dan Gas
Himpunan Bahan Bakar
Gas Cairan Padat
Bahan bakar H2 , CO , CmHn
CmHn C , CmHn
Konstituen yang tidak diinginkan
CO2, N2, H2O, sedikit persentase dari H2S, SO2
S, sedikit persentase dari V dan metal lain, H2O
S, ash, H2O
Agen oksidasi O2, N2 (A) escort material H2O
A
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
28
Himpunan Bahan Bakar
Gas Cairan Padat
Gas yang dihasilkan (flue gas)
CO2, H2O, N2, pada umumnya O2 juga
Material tambahan penting lainnya
SO2, NOx SO2, NOx, Soot (jelaga)
SO2, NOx
Soot (jelaga), fly ash
Karbon dioksida, nitrogen dan sejenisnya tidak akan terbakar akan tetapi gas tersebut akan menambah volume bahan bakar.
Bahan bakar padat memiliki tambahan abu (ash). Ash pada mulanya digunakan sebagai pupuk tanaman. Mereka mengandung mineral, terutama dalam bentuk senyawa metal oksida seperti besi oksida, magnesium oksida, kalsium oksida dan seterusnya.
Apabila bahan bakar ini berasal dari kayu, maka ash nya bisa digunakan sebagai pupuk. Akan tetapi apabila ash berasal dari hard coal, dia bisa mengandung logam berat seperti lead dan tidak aman untuk penyubur tanaman.
Gambar 16. Korosi pada Bilah Turbin akibat Vanadium (Contributors, 20 January 2017)
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
29
Vanadium (V) adalah jenis metal yang digunakan untuk membuat baja menjadi sangat keras. Ada kemungkinan jejak vanadium dalam bahan bakar cair. Apabila vanadium ini terpapar dalam boiler maupun turbin gas, maka vanadium akan menyentuh komponen metal disana. Ketika vanadium bereaksi dengan oksigen dan membentuk ikatan oksida, senyawa ini akan merusak bilah turbin. Hal yang sama bisa terjadi pada piston di motor bakar.
Kita membutuhkan oksigen untuk proses oksidasi. Dalam proses oksidasi, karbon akan menjadi karbon dioksida, hidrogen menjadi air, sulfur menjadi sulfur dioksida dan seterusnya. Gas buang (flue gas) yang tersisa setelah pembakaran akan keluar. Gas ini dianalisis dalam persentase. Nitrogen menjadi konstituen flue gas yang utama, dengan rasio sebesar 80%.
Sulfur dioksida dapat menyebabkan hujan asam. Efek yang sama bisa ditimbulkan oleh gas NOx. Abu terbang (fly ash) merupakan butiran halus yang dibawa oleh gas panas pada pembangkit. Fly ash ini disaring dan ada aturan terkait pembuangan emisinya.
Soot (jelaga) terjadi apabila bahan bakar tidak terbakar dengan sempurna dan ada karbon tertinggal sebagai residunya, membentuk gumpalan molekul karbon yang lebih besar. Efek samping jelaga mirip dengan efek samping abu. Jelaga merupakan partikel yang juga bisa mengganggu pernapasan, oleh karena itu ia tidak bisa dilepaskan begitu saja ke atmosfer terbuka.
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
30
Gambar 17. Pendekatan Langsung Bahan Bakar
Bahan bakar harus diklasifikasikan berdasarkan karakteristiknya masing-masing, untuk memastikan apabila kita mengganti bahan bakar tersebut dengan jenis yang lain, bahan bakar pengganti ini tetap bisa bekerja dengan baik.
Hal ini bisa dilakukan dengan pendekatan analisis kimia lengkap.
Akan tetapi, kita memerlukan pendekatan yang lebih praktis sebagaimana dijelaskan pada gambar di atas.
Kata kunci pertama adalah nilai kalor. Berbagai jenis analisis dilakukan untuk mengukur nilai kalor dari batu bara. Akan tetapi, satu hal penting, saat kita memanaskan batu bara pada temperatur 100˚C pada tekanan atmosfer, kandungan air pada batu bara akan menguap. Fakta ini memberikan ide pada kita untuk melakukan pre-drying pada bahan bakar, atau hanya pre- heating untuk menghilangkan semua kandungan airnya.
Langkah selanjutnya adalah mengeluarkan kandungan gas (volatile). Ketika bahan bakar dipanaskan hingga temperatur 800˚C, semua kandungan gasnya keluar. Volatile ini memberikan kita ide mengenai pengapian awal. Volatile bercampur dengan
Debu
(ash) Air
Substansi mentah Substansi bebas air
Substansi bebas air dan debu (ash) Gas
(volatile)
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
31
udara dan mereka mudah untuk dibakar. Senyawa yang tersisa setelah itu adalah kokas.
Penjelasan ini menjelaskan berapa banyak energi yang terkandung dalam bahan bakar. Ketika kokas dibakar, sisanya adalah abu (ash). Kandungan ash dalam bahan bakar akan menjadi dasar untuk memutuskan berapa volume dan kapasitas ash removal system dalam pembangkit kita.
Volatile dan kokas merupakan bagian yang bisa terbakar.
Substansi bebas air dan abu (ash) hanya terjadi pada bagian yang bisa terbakar.
Beberapa elemen umum pada batu bara adalah C,H, O, S dan N.
Batu bara dipanaskan pada temperatur 100˚C lalu dibakar. Gas yang dilepaskan ke udara kemudian ditangkap dan dianalisis.
Abu diabaikan dalam analisis ini. Kandungan terbesarnya adalah karbon dan mayoritas sisanya adalah oksigen. Kandungan hidrogen bervariasi hingga mencapai 5%. Hanya pada kokas, hidrogen juga ikut keluar. Kokas terdiri dari hampir 100% karbon.
Karbon pada pembentukan kokas mulai di angka 50% dan berakhir pada persentase mendekati 100%. Kandungan oksigen turun dari 45% menjadi hampir 0%. Pada umumnya, kandungan oksigen akan menurun sejalan dengan umur batu bara. Dengan arti kata lain, kandungan oksigen pada batu bara tua akan lebih rendah daripada batu bara muda. Sedangkan kandungan karbon akan sebaliknya. Kandungan karbon pada batu bara tua akan lebih tinggi dibandingkan batu bara muda sehingga nilai kalornya pun akan meningkat.
Adapun perbedaan kualitas batu bara akan mempengaruhi kandungan sulfurnya. Apabila batu bara memiliki kandungan sulfur yang besar, itu artinya kita akan mendapatkan kandungan
HIMPUNAN BAHAN BAKAR
32
sulfur yang tinggi pada gas buang pembangkit, salah satunya dalam bentuk sulfur dioksida.
Tidak ada cara untuk menanggulangi kemunculan sulfur dalam batu bara. Oleh karena itu, kebanyakan proses pembersihan gas buang akan melibatkan pembangkit yang memiliki kandungan sulfur tinggi dalam batu baranya. Ini berarti, biaya produksi akan meningkat karena proses ini memakan biaya yang mahal.
Untuk nitrogen, ketika atom nitrogen terpecah dari molekulnya, atom ini akan mengikat oksigen untuk membentuk senyawa oksida. Bahan bakar nitrogen pada umumnya akan diubah menjadi gas NOx terutama apabila temperatur pengapian terlalu tinggi. Hal ini juga tidak bisa kita hindari. Cara mengatasinya, udara diambil dari nitrogen. Dengan kata lain, tidak boleh ada terlalu banyak oksigen yang tersedia dalam proses pembakaran.
Analisis yang sama juga bisa dilakukan untuk bahan bakar minyak.
33
BAB 6
ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT
erikut ini merupakan nama-nama tradisional bahan bakar padat. Fat coal berarti batu bara dengan nyala api yang besar.
Gas coal juga memiliki kandungan gas yang lebih banyak. Bahan bakar seperti ini bagus digunakan untuk pengapian dengan nyala api yang besar, akan tetapi kandungan energinya tidak begitu besar.
Tabel 6. Analisis Dasar Bahan Bakar Padat dengan Substansi Bebas Abu dan Air
Konstituen
[%] C H O S N
antrasit 92 4 3 - 5 1 1
fat coal 87 - 89 5 3 - 5 1 1,5
gas coal 82 - 87 5,5 5 - 10 1 1,5
kokas 97 0,5 0,5 1 1
briket lignit mentah
68 5 25 0,5 1
gambut 60 6 32 - 1,5
kayu 50 6 44 - -
Apabila kita melihat dalam kandungan karbon (C). kita juga akan merujuk pada kandungan kalor. Seringkali volatile terdiri atas gas metan, propana dan sejenisnya. Lignit memiliki hingga 75%
B
ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT
34
kandungan air. Gambut juga memiliki kandungan air yang cukup signifikan dan kadar karbon yang rendah.
Adapun kayu tergantung pada jenisnya, apakah dia kayu segar yang baru dipotong atau sudah dikeringkan dengan udara (dried wood with air). Apabila dia kayu segar, kandungan airnya lebih dari 50% dan apabila dia kering, tergantung dimana lokasi pengeringannya. Apabila kayu kering tersebut dikeringkan secara alami di area hutan hujan tropis, maka kandungan airnya akan jauh lebih tinggi daripada pengeringan di wilayah gurun pasir yang akan memiliki kandungan air 0%.
Bahan bakar buatan adalah bahan bakar hasil olahan pabrik.
Kokas merupakan bahan bakar buatan yang dapat dibuat dari berbagai jenis bahan seperti hard coal, lignit, gambut atau bahkan kayu (arang). Kokas dibuat dengan proses pemanasan bahan bakar tersebut tanpa adanya oksigen. Volatile akan keluar dari karbon dan menyisakan kokas sebagai hasilnya. Kokas akan membuat pembakaran bisa mencapai temperatur yang lebih tinggi tetapi akan sulit untuk memulai proses penyalaan api. Temperatur yang dibutuhkan untuk mengeluarkan volatile menunjukkan kualitas kokas itu sendiri. Temperatur untuk membuang gas pada kokas bervariasi antara 500-900˚C. Semakin tinggi temperaturnya, semakin banyak gas yang bisa keluar. Kandungan karbon pada kokas minimal sebanyak 90% atau lebih.
Briket juga bisa dibuat dari hard coal, lignit maupun gambut dan bahkan serbuk gergaji. Briket mudah untuk disusun dan disimpan di gudang karena bentuknya yang padu. Transportasi dan penyimpanan briket mudah walaupun proses penyalaannya lebih sulit. Untuk menyalakan briket, kita membutuhkan bahan bakar awal seperti kertas atau kayu bakar.
ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT
35
Bahan bakar buatan diciptakan karena mudah untuk disimpan dan ditransportasikan. Kokas sendiri dibuat karena nilai energi dan temperaturnya lebih tinggi. Hal ini dibutuhkan untuk beberapa proses spesifik seperti peleburan bijih besi. Hal yang sama berlaku untuk arang.
Pelet kayu dibuat dengan menekan kayu di pabrik sehingga pelet ini bisa disimpan dan ditransportasikan. Dengan cara ini, konsumsi bahan bakar untuk rumah tangga bisa dikontrol lebih mudah.
Apabila harga energi terus naik, penggunaan bahan bakar sampah bisa menjadi alternatif yang menjanjikan. Sampah bisa dibakar namun ada persyaratan emisi yang harus dipenuhi.
Sampah bisa dibakar dengan cita-cita ideal:
1. Kandungan energinya cukup baik
2. Idealnya, sampah bisa berubah menjadi karbon dioksida dan air saja setelah proses pembakaran
Akan tetapi, pada praktiknya, pembakaran sampah bukan saja menghasilkan karbon dioksida dan air. Sebagai contoh, apabila kita membakar lapisan di antara batu bara dan batuan mineral, maka bahan yang terkandung di dalamnya adalah campuran mineral dan batu bara. Lapisan ini bukan bahan bakar ideal, namun masih bisa digunakan.
Dua bahan bakar sampah yang terpenting adalah:
1. Sampah kayu
Sisa kayu dari pabrik seperti serbuk gergaji, sisa kayu furniture bahkan ranting dan akar tanaman termasuk dalam kategori ini. Sampah ini tidak mudah untuk dibakar. Dia
ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT
36
harus dikeringkan dan dibersihkan dari pengotor. Kandungan energinya setara dengan lignit, akan tetapi proses pembakarannya akan lebih rumit.
2. Sampah rumah tangga
Di tahun 1970 an, pembangkit listrik didesain untuk membakar sampah. Hampir semua jenis sampah bisa dibakar kecuali bagian tertentu seperti kaca. Akan tetapi, daur ulang sampah merupakan alternatif lain dan sampah yang mudah terbakar seperti plastik dan kertas pun segera menjadi sampah yang bisa didaur ulang. Nilai kalor dari sampah rumah tangga ini bervariasi. Beberapa mungkin bisa dibakar, beberapa lainnya tidak. Hal inilah yang menyebabkan nilai kalornya sangat bervariasi.
Beberapa jenis sampah ini hanya bisa digunakan sebagai bahan bakar sampingan dan beberapa lainnya bisa digunakan sebagai bahan bakar utama.
Sebagai tambahan, kandungan air pada sampah ini juga bervariasi. Akan lebih mudah untuk menggunakannya sebagai bahan bakar sampingan yang membantu proses penyalaan api, namun membakarnya sendiri sebagai bahan bakar utama membutuhkan usaha yang lebih banyak.
Adapun limbah industri, kita memiliki keuntungan yaitu pengetahuan limbah apa yang akan keluar. Di samping itu, limbah industri secara umum juga memiliki kandungan energi yang lebih tinggi dibandingkan limbah rumah tangga.
Untuk sampah beracun seperti pabrik obat farmasi, kita harus memastikan temperaturnya cukup tinggi untuk bisa memecah molekul organik yang besar dan menghindari
ANALISIS BAHAN BAKAR PADAT
37
terbentuknya zat beracun seperti dioksin. Jenis filter yang berbeda juga digunakan disini.
38
39
BAB 7
PARAMETER BAHAN BAKAR
Tabel 7. Nilai Kalor dan Analisis Prediksi Bahan Bakar Padat
fuel type
calorific value Hu [MJ/kg]
volatile matter
(i. waf) [%]
H2O- content (i. raw) [%]
C-content (i. waf) [%]
1.natural fuels 1.1 hard coal
anthracite 28,9 - 33,0 7 - 10 2 - 10 ~90
lean coal 29,1 - 33,4 10 - 14 2 - 10 90,4 - 91,2 forge coal 29,0 - 32,9 14 - 20 2 - 10 90,0 - 90,9 fat coal 27,5 - 33,8 18 - 30 2 - 10 86,3 - 90,3 gas coal 26,8 - 32,5 28 - 35 2 - 10 82,8 - 87,2 gas-flame
coal 25,9 - 30,5 33 - 40 2 - 10 80,8 - 85,9
open burning
coal 22,9 - 28,9 >40 5 - 10 72,0 - 82,0
1.2 lignite
shiny lignite 21,8 - 23,3 43 - 49 8 - 25 71 - 77
dim lignite 18,0 49 - 56 25 - 35 60 - 71
soft lignite 7,0 - 11,7 56 - 63 35 - 75 60 - 71 1.3 peat,
wood
black peat 12,9 - 15,2 >63 25 - 55 <60
peat 12,9 - 15,2 >63 25 - 55 <60
white peat 11,3 - 13,0 >63 25 - 55 <60
PARAMETER BAHAN BAKAR
40
fuel type
calorific value Hu [MJ/kg]
volatile matter
(i. waf) [%]
H2O- content (i. raw) [%]
C-content (i. waf) [%]
fresh wood 8,4 >70 40 - 60 ~50
wood, air-
dried 15,3 >70 12 - 15 ~50
2. artificial fuels 2.1 hard coal high
temperatur coke
27,1 - 28,9 ~1 5 - 12 97,5
gas coke 28,0 ~1 4 - 9
semi-coke 26,0 - 30,0 6 - 16
briquet 31,0 - 32,2 11 - 14 1 - 3
low temperatur briquet
10 - 22
2.2 lignite high temperatur coke
28,9 - 30,1 0,7 - 0,9 99
low temp.
coke wet 18,5 - 26,0 12 - 19 15 - 30 85 - 89
low temp.
coke air dry 23,1 12 - 19 6 - 12 85 - 89
briquet 18,9 - 21,0 55 - 61 14 - 18 68 - 74
low temp.
coke briquet 20,0 - 21,6 15 - 30 95,6
2.3 peat, wood
peat coke 29,4 8,5 3 - 8 ~91
peat briquet 16,6 - 19,3 10 - 20
charcoal 28,0 - 30,1 11 - 13 2 - 20 82 - 93
PARAMETER BAHAN BAKAR
41
fuel type
calorific value Hu [MJ/kg]
volatile matter
(i. waf) [%]
H2O- content (i. raw) [%]
C-content (i. waf) [%]
3. waste fuels
3.1 coal (come from hard coal processing) finished
middlings 15,0 - 22,3 - 8 - 12 25 - 40
middlings 15,0 - 22,3 - 8 - 12 25 - 40
flotation
tailings 12,5 - 19,0 - 25 - 35 10 - 30
classifier dust
- - 3 - 4 < 30 ashes
coke
chippings 21,8 - 25,1 3 12 - 20 < 15 ashes
refuse coal 31,0 - 32,2 10 - 22 1 - 3 3.2 peat,
wood
peat dust 11,3 - 13,0 63 25 - 55 60
wood waste 15,0 70 12 - 15 50
bark 16,4 - 17,9 - 16 - 21 -
3.3 other fuels
bagasse 7,7 70 40 - 60 44 - 48
plant waste 6,1 - 16,3 80 6 - 30 45 - 48
domestic
waste 2,5 - 11,0 - 5 - 50 50 - 85
Batu bara merupakan produk alam oleh karena itu kita mendapatkan variasi jenis mineral dalam batu bara tersebut.
Salah satu bahan yang umum terdapat dalam lignit di adalah metal oksida. Bukan hanya besi saja yang bisa muncul, melainkan juga mangan, magnesium hingga nikel.
PARAMETER BAHAN BAKAR
42
Metal oksida seperti mangan oksida maupun natrium oksida bersifat korosif. Jadi apabila kita menghasilkan abu dari pembangkit, membuangnya tidaklah mudah. Fly ash merupakan bagian dari abu yang terbang bersama gas buang panas (hot flue gas). Bagian abu lain yang jatuh dinamakan dengan bottom ash.
Kuantitas bottom ash ini cukup banyak. Untuk pembangkit listrik berdaya besar dengan dua puluh gerbong batu bara yang dibakar, maka gerbong ke dua puluh merupakan gerbong yang berisikan abu saja.
Oleh karena itu, dalam tiap 2-3 jam, kita memiliki kereta yang penuh dengan abu korosif. Solusi yang bisa dilakukan adalah mencoba mengumpulkan abu tersebut, kemudian membuatnya dalam bentuk trotoar bagi pejalan kaki, beton bangunan dan seterusnya.
Silikon oksida pada dasarnya adalah pasir yang digunakan dalam konstruksi bangunan. Jadi cara termudah untuk menyingkirkan abu ini adalah dengan menaruhnya pada material bangunan.
Cara ini harus dilakukan sedemikian rupa agar terhindar dari problem terhanyut (wash out). Sebagai contoh, apabila timbal atau logam berat lainnya terhanyut, ini akan menimbulkan masalah lain, seperti tercemarnya sumber air minum di sekitarnya.
Abu juga bisa terbentuk dalam bentuk serbuk. Abu ini akan berwarna merah menyala saat panas. Kita harus mendinginkannya terlebih dahulu.
Namun, apabila pendinginan dilakukan dengan bantuan air, akan ada dua kemungkinan yang harus diantisipasi:
PARAMETER BAHAN BAKAR
43 1. Air akan menguap
2. Saat terjadi kontak dengan air, abunya bisa larut dalam air.
Pemisahan hidrogen dan oksigen dalam hal ini, bisa memicu ledakan.
Hingga 50% abu dapat terbang jauh, dan tergantung dari ikatan kimia di dalam abu, dia bisa melunak-mencair di permukaan benda. Bayangkan abu bertebaran ke dinding. Dinding pada pembangkit terdiri dari pipa-pipa logam dengan air di dalam pipa tersebut.
Saat panas hilang dan temperatur dinding menurun, abu ini menjadi padatan yang lengket di permukaan pipa. Ketika abu ini menjadi padat, dia menjadi seperti batu keramik. Lapisan batu ini akan mencegah panas masuk ke dalam air di dalam pipa. Transfer panas pun terhambat. Untuk membersihkannya, pembangkit harus dimatikan dan didinginkan dari 1000˚C menjadi 80-100˚C saja, kemudian dibersihkan secara manual. Hal ini sulit dilakukan mengingat pembersihan ini dilakukan pada ketinggian sekitar 60 m dari permukaan tanah.
Kasus terburuk, padatan abu ini menjadi gumpalan besar dan berjatuhan karena gaya gravitasi. Abu yang jatuh ini terkadang bisa seukuran mobil. Bisa dibayangkan energi potensial yang dilepaskan saat abu ini jatuh dari ketinggian 60 m.
Oleh karena itu, kita berusaha untuk mendapatkan campuran batu bara terbaik agar abu tidak lengket di permukaan dalam pembangkit.
Abu ini diivestigasi sebelumnya untuk proses pelunakan. Batu bara dibakar dan sisanya, yaitu abu, ditekan menjadi bentuk kubus, diamati di bawah mikroskop kemudian dipanaskan secara
PARAMETER BAHAN BAKAR
44
bertahap. Waktu saat sisi-sisi mikroskopik batu baranya mulai memudar, atau melunak, kita bisa menyimpulkan bahwa pada temperatur tersebut, abu akan lengket dan menetap di permukaan benda. Semakin tinggi temperatur pelunakan abu, semakin baik kriteria ini bagi pembangkit.
Pelunakan terjadi sebelum pencairan. Permukaan menjadi cair dan abu dikatakan menjadi lunak. Akan tetapi apabila kita mempunyai abu yang melunak pada temperatur lebih rendah, beberapa pilihan ini bisa digunakan:
1. Mencampurkan berbagai jenis batu bara agar campuran abu kita memiliki titik pencairan yang lebih tinggi
2. Membakar batu bara di beberapa jenis pembangkit yang berbeda-beda sehingga diharapkan semua abu akan mencair dan kemudian mengeluarkannya dalam bentuk abu cair- terak (molten ash-slag). Pembersih jelaga (soot blower) juga merupakan salah satu pilihan. Udara atau uap bertekanan ditiup pada permukaan benda untuk menghilangkan abunya sebelum ia bertransformasi menjadi lapisan batu keramik.
Akan tetapi apabila kita mempunyai boiler, kita harus meniupnya dengan arah yang berlawanan. Pipa didesain sedemikian rupa untuk tujuan ini, kemudian udara atau uap bertekanan digunakan untuk menghilangkan apapun yang menempel di permukaan pipa terbesut. Oleh karena itu, pipa haurs cukup panjang agar bisa mencapai sisi lainnya, setidaknya antara 20-25 m. ia juga harus cukup kuat sehingga tidak menjadi bengkok.
Semakin besar pembangkit, semakin rumit sistem kerjanya.
Kita bisa menghitung transfer panasnya dan apabila lapisan tersebut sudah cukup tebal hingga panasnya tidak bisa
PARAMETER BAHAN BAKAR
45
dihilangkan, kita bisa melakukan prosedur pembersihan jelaga, atau bisa juga melakukannya dalam jangka waktu berkala.
Gambar 18. Titik Didih dari Extra Light Fuel Oil
Pada bahan bakar minyak, titik didihnya ditunjukkan pada gambar di atas. Gambar tersebut menunjukkan persentase minyak yang menguap seiring dengan penambahan temperatur. Pada temperatur yang tinggi, seluruh minyak akan menguap.
Sebagaimana telah diketahui bersama, light fuel oil merupakan hasil distilasi fraksional. Diesel, nama lain light fuel oil, mulai mengalami penguapan pada temperatur 200˚C dan akan menguap seluruhnya pada temperatur 360˚C.
Tidak ada titik didih yang pasti karena minyak terdiri dari setidaknya 150 jenis senyawa kimia. Oleh karena itulah, terdapat beragam cara untuk mengubah minyak menjadi gas untuk membakarnya. Kita bisa berkesimpulan bahwa pada temperatur
PARAMETER BAHAN BAKAR
46
240-260˚C, kita memiliki proporsi yang bagus antara minyak dan gas sehingga pada range temperatur ini, ia bisa mudah dicampur dan dibakar.
Ini adalah salah satu alasan kenapa diesel sangat popular sebagai bahan bakar mula (starting). Diesel akan mulai terbakar pada temperatur yang rendah dan suhu 200˚C mudah untuk dicapai.
Penyalaan (igniting) berarti apabila api tersedia, dia akan menjaga nyala api tetap hidup. Penjelasannya, energi dibebaskan dari pembakaran untuk menjaga nyala api tetap hidup.
Sebagai perbandingan, temperatur penyalaan untuk bahan bakar lainnya berada pada posisi yang lebih tinggi. Hard coal akan mulai terbakar pada temperatur lebih dari 500˚C sedangkan metan akan terbakar pada temperatur 600˚C.
PARAMETER BAHAN BAKAR
47
Tabel 8. Prosedur Produksi pada Beberapa Bahan Bakar
Ada beberapa jenis bahan bakar gas seperti yang tercantum pada tabel di atas. Gas kokas telah dibahas pada bab sebelumnya, dihasilkan dari proses degassing batu bara.
Tipe gas yang lain bisa diproduksi dengan memanaskan batu bara kemudian menambahkan udara namun tidak cukup banyak sehingga ia tidak terbakar seluruhnya. Ia mengubahnya hanya menjadi gas CO. Gas ini bukan bahan bakar kualitas baik, tetapi kita mungkin membutuhkan gas ini untuk beberapa kasus dibandingkan dengan menggunakan bahan bakar padat.
Penggunaan yang lebih menarik adalah pada blast furnace untuk memanaskan bijih besi. Langkah pertama, oksidasi dilakukan
