RISWANTI SIGALINGGING
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Analisis Energi dan Eksergi pada Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil)” adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Agustus 2008
Riswanti Sigalingging NIM 151060101
ABSTRACT
RISWANTI SIGALINGGING. Energy and Exergy Analysis of Biodiesel
Production from CPO (Crude Palm Oil). Under supervision of ARMANSYAH H.TAMBUNAN and SRI ENDAH AGUSTINA.
Biodiesel production from renewable resources needs a certain amount of energy Input. Accordingly, the effectiveness of biodiesel production depends on the energy ratio, i.e. the ratio of energy contained in the biodiesel to the energy input during production including energy content in the feedstock. This research is aimed to evaluate energy ratio in biodiesel production. The tool used in this experiment is exergy analysis, which incorporates the fisrt and second law of thermodynamic. Materials required in the biodiesel production was evaluated in term of its energy content. The result of analysis showed that the energy ratio and the energy needed to produce per kilogram biodiesel using noncataliytic production method with modified process were 1.00 and 39.63 MJ/kg, while using catalytic method were 0.98 and 41.05 MJ/kg, respectively. Meanwhile, the exergy efficiency and the exergy lost by using noncataliytic production method with modified process were 94.43 % and 3665.08 MJ, while using catalytic method were 98.23 % and 1175.75 MJ, respectively. The research shows that noncatalytic production method with modified process is better than catalytic method in terms of energy ratio and the energy needed to produce per kilogram biodiesel. The research also shows that heat exchanger is the critical one for the performance improvement of the modified non-catalytic process.
Key words: first law of thermodynamics, second law of thermodynamics, energy
RINGKASAN
RISWANTI SIGALINGGING. Analisis Energi dan Eksergi pada Proses
Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil). Dibimbing oleh ARMANSYAH H. TAMBUNAN dan SRI ENDAH AGUSTINA.
Biodiesel merupakan sumber energi terbarukan yang berasal dari bahan baku nabati, seperti CPO. Biodiesel dapat diproduksi dengan dua cara, yaitu dengan menggunakan katalis (katalitik) dan tanpa katalis (non-katalitik). Untuk mengkonversi CPO menjadi biodiesel dibutuhkan sejumlah energi. Oleh karena itu, analisis rasio energi dan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel perlu dilakukan, sehingga dapat diketahui cara produksi mana yang terbaik. Dalam penelitian ini dilakukan analisis eksergi sebagai alat untuk mengetahui besarnya energi yang tidak termanfaatkan (eksergi yang hilang) setiap proses. Analisis ini merupakan aplikasi dari hukum termodinamika pertama dan hukum termodinamika kedua, sehingga disain sistem proses dapat diperbaiki guna pengembangan teknologi proses produksi biodiesel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rasio energi dan energi yang dibutuhkan per kilogram biodiesel, pada proses produksi biodiesel non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah masing-masing sebesar 1,00 dan 39,63 MJ/kg, sedangkan proses katalitik masing-masing adalah sebesar 0,98 dan 41,05 MJ/kg. Sementara itu, efisiensi eksergi dan eksergi yang hilang pada proses produksi biodiesel non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah sebesar 94,43 % dan 3665,08 MJ, sedangkan pada proses produksi biodiesel secara katalitik adalah 98,23 % dan 1175,75 MJ. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa proses produksi non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah lebih baik dalam hal rasio energi dan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel. Akan tetapi, efisiensi eksergi perlu ditingkatkan dengan melakukan penelitian lebih lanjut khususnya di reaktor dan APK-2, sehingga eksergi yang hilang ke lingkungan dapat diminimalisasi.
Keywords : hukum termodinamika pertama, hukum termodinamika kedua, rasio energi, efisiensi eksergi, katalitik, non-katalitik.
© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2008 Hak cipta dilindungi Undang-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya
ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PADA PRODUKSI
BIODIESEL BERBAHAN BAKU CPO (Crude Palm oil)
RISWANTI SIGALINGGING
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
Judul Tesis : Analisis Energi dan Eksergi pada Produksi Biodiesel
Berbahan Baku CPO (Crude Palm oil)
Nama : Riswanti Sigalingging
NRP : F151060101
Disetujui, Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Armansyah H. Tambunan Ir.Sri Endah Agustina, MS
Ketua Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana
Ilmu Keteknikan Pertanian
Prof. Dr. Armansyah H. Tambunan
Tanggal Ujian : 19 Agustus 2008 Tanggal Ujian:
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan YME yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan tesis yang berjudul “ Analisis Energi dan Eksergi pada
Proses Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil)”.
Penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr sebagai pembimbing pertama
dan Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian (Koordinator Mayor), yang telah memberi nasehat dan bimbingan selama ini.
2. Ir. Sri Endah Agustina, M.S sebagai pembimbing kedua, yang telah memberi
nasehat dan bimbingan selama ini.
3. Department of Global Agricultural Sciences The University of Tokyo, Jepang
yang telah memberikan alat proses produksi biodiesel non-katalitik.
4. BPPT dan seluruh karyawan BPPT khususnya Pak Sonni Sulistiawan, mbak
Rani, Adi, Luthfi dan mbak novi, yang bersedia memberikan informasi data proses produksi biodiesel katalitik.
5. Tamaria Panggabean, Farry Aprilliano, Lilik Tri Mulyantara, Diswandi
Nurba, Deni Hendarto, I Putu Surya, Susanto Budi, dan Warji yang merupakan teman-teman satu angkatan penulis di Program Magister IPB.
6. Firman, Darma dan Pak Harto yang telah membantu dalam pengambilan data.
7. Pihak-pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu atas peranannya
sehingga penelitian ini dapat terlaksana dengan baik.
Semoga Tuhan YME memberikan balasan dan manfaat atas segala bantuan moril materil, nasehat dan ilmu yang diberikan.
Penulis menyadari bahwa isi dari tesis ini sangat jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik sangat penulis harapkan agar lebih menambah khazanah pengetahuan penulis. Akhirnya penulis berharap semoga penelitian ini dapat bermanfaat. Amin.
Bogor, Agustus 2008 Riswanti Sigalingging
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Rawang Lama Kisaran pada tanggal 07 Mei 1980 dari ayah R. Sigalingging dan Ibu R. Marbun. Penulis merupakan putri kedua dari lima bersaudara.
Penulis telah menyelesaikan pendidikan program sarjana (S1) pada tahun 2003 di Program Studi Teknik Pertanian, Jurusan Teknologi Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara. Pada tahun 2006 penulis diterima di Sekolah Pascasarjana Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Penulis saat ini sebagai tenaga pengajar di Prosus INTEN (Institut Teladan), Jakarta.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xv
DAFTAR SIMBOL ... xvi
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar Belakang ... 1
1.2Tujuan Penelitian ... 4
1.3Manfaat Penelitian ... 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Proses Produksi Biodiesel ... 5
2.1 Konsep Energi dan Eksergi ... 12
III. METODOLOGI PENELITIAN ... 17
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 17
3.2 Alat dan Bahan Penelitian ... 17
3.3 Prosedur Penelitian ... 17
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 24
4.1 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel ... 24
4.1.1 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Non-katalitik . 24 4.1.2 Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Katalitik ... 30
4.2 Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel ... 36
4.2.1 Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel Secara Non-katalitik 36 4.2.2 Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel Secara Katalitik ... 50
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 77
5.1 Kesimpulan ... 77
DAFTAR PUSTAKA ... 78 LAMPIRAN ... 82
DAFTAR TABEL
Halaman 1 Perkiraan kebutuhan bahan bakar minyak (dalam juta liter) ... 1 2 Target Pemanfaatan bahan bakar bio (dalam juta kilo liter) ... 1 3 Kelebihan dan kelemahan proses produksi biodiesel katalitik dan
non-katalitik ... 11 4 Titik didih tiap komponen bahan ... 14 5 Titik didih normal fatty acid dan FAME ... 14 6 Keseimbangan massa produksi biodiesel secara non-katalitik skala
laboratorium... 25 7 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi non-katalitik skala
laboratorium... 26 8 Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara
non-katalitik skala 1 ton ... 26 9 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel
non-katalitik skala 1 ton/jam ... 27 10 Energi listrik yang dibutuhkan pompa untuk mengalirkan minyak dan
metanol ... 27 11 Efektivitas APK pada proses produksi biodiesel skala scale-up ... 29 12 Energi panas total yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel baik
dengan skala laboratorium, scale-up maupun sistem yang sudah
dimodifikasi ... 30 13 Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara katalitik ... 31 14 Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel secara
katalitik ... 32 15 Energi listrik yang dibutuhkan pompa dan elektromotor pada produksi
biodiesel katalitik ... 32 16 Kandungan energi bahan umpan dan produk pada proses produksi
17 Energi input dan output per kilogram produksi biodiesel ... 33
18 Rasio energi proses produksi biodiesel secara non-katalitik dan katalitik . 33 19 Ringkasan hasil analisis energi proses produksi biodiesel non-katalitik dan proses produksi katalitik ... 35
20 Fluida yang mengalir tiap-tiap alat penukar kalor (APK) ... 41
21 Eksergi fluida yang mengalir tiap-tiap alat penukar kalor (APK) ... 41
22 Eksergi input, output, dan eksergi yang hilang serta efisiensi eksergi ... 42
23 Data massa dan suhu fluida input dan output di reaktor ... 48
24 Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil ... 48
25 Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada reaktor ... 49
26 Data massa dan suhu fluida input dan output di MMT ... 52
27 Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun MMT... 53
28 Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil ... 53
29 Data massa dan suhu fluida input dan output di reaktor ... 58
30 Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil ... 58
31 Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada reaktor ... 59
32 Data massa dan suhu fluida input dan output di WT ... 65
33 Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil ... 65
34 Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun WT ... 66
35 Data massa dan suhu fluida input dan output di VDT... 72
36 Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil ... 72
37 Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun WT ... 73
38 Eksergi kimia bahan baku proses non-katalitik pada suhu 300 K dan tekanan 1 atm ... 74 39 Eksergi kimia bahan baku proses katalitik pada suhu 300 K dan tekanan
1 atm ... 74 40 Eksergi dan efisiensi total proses produksi biodiesel non-katalitik ... 75 41 Eksergi dan efisiensi total proses produksi biodiesel katalitik ... 75 42 Ringkasan hasil analisis eksergi proses produksi biodiesel non-katalitik
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Persamaan reaksi transesterifikasi ... 6
2 Persamaan reaksi esterifikasi ... 7
3 Persamaan reaksi saponifikasi/pembentukan sabun ... 7
4 Persamaan reaksi proses pembentukan NaOH ... 8
5 Alur pelaksanaan penelitian proses produksi biodiesel katalitik dan non-katalitik ... 18
6 Langkah-langkah proses analisis eksergi ... 22
7 Diagram alir pada proses non-katalitik skala laboratorium... 24
8 Diagram alir proses produksi biodiesel secara non-katalitik termodifikasi ... 29
9 Aliran keseimbangan massa pada proses produksi katalitik ... 30
10 Diagram aliran fluida dalam APK ... 37
11 Diagram aliran fluida dalam reaktor ... 44
12 Diagram aliran fluida dalam MMT ... 50
13 Diagram aliran fluida dalam reaktor ... 54
14 Diagram aliran fluida dalam WT ... 60
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1 Tabel struktur kimia asam lemak (fatty acids) dan perhitungan berat
molekul ... 83
2 Tabel Berat molekul ... 84
3 Gambar production plant dan diagram alirproses non-katalitik ... 85
4 Prosedur kerjaproses produksi non-katalitik ... 86
5 Gambar production plant proses produksi biodiesel katalitik ... 87
6 Gambar keseimbangan massa produksi biodiesel proses katalitik ... 88
7 Prosedur kerja proses produksi biodiesel katalitik ... 89
8 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik... 90
9 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik... 91
10 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik... 92
11 Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik... 93
12 Berat molekul, massa jenis dan panas jenis sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi ... 94
13 Panas penguapan dan pembentukan sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi ... 95
DAFTAR SIMBOL
Satuan
Cp Panas jenis (kJ/kg oC)
ech Standar eksergi kimia (kJ/mol)
eph Standar eksergi fisika (kJ/mol)
E Energi total (kJ)
Ec Energi content (kJ/kg)
Eout Energi output (kJ)
Ein Energi input (kJ)
Eproses Energi panas dan energi listrik (kJ)
Epanas Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu
dan perubahan fase bahan umpan dan produk (kJ)
Elistrik Energi yang dibutuhkan pompa dan elektromotor (kJ)
EMeOH Kandungan energi metanol yang habis bereaksi
dengan TG (kJ)
EOil Kandungan energi CPO (kJ)
EFAME Kandungan energi biodiesel (kJ)
Ėch Eksergi kimia (kJ) Ėk Eksergi kinetik (kJ) Ėp Eksergi potensial (kJ) Ėph Eksergi fisika (kJ) ĖD Eksergi destructioan (kJ) F
g Gibbs free energi (kJ/mol)
hfg Panas laten penguapan (kJ/kg)
H Entalpi (kJ)
m Laju massa (kg/s)
N Fraksi molar (mol)
P Daya listrik (watt)
Pi Tekanan (Pa)
R Tetapan gas (kJ/kmol K)
RE Rasio energi (-)
s Entropi (kJ/K)
Sgen Entropi generasi (pembentukan) (kJ/K)
T Suhu proses (oC)
To Suhu ambient (oC)
U Energi dalam (kJ)
ν Kecepatan aliran (m/s)
V Volume (m3)
w massa bahan yang berubah fase (kg)
W Kerja (kJ)
y Jumlah mol (mol)
