Evaluasi Sistem Energi pada Pabrik Pengolahan Hasil Perkebunan
Sebagai Rancangan Menuju Penghematan Energi
“ Studi Kasus : Unit Evaporasi Pabrik Gula Subang “
Satriyo Krido Wahono 1), Soleh Iskandar 2)1) Staf peneliti UPT BPPTK LIPI – Yogyakarta, Telp : 0274 – 392570, email dna_tqim@yahoo.com 2) Staf produksi PT PG Rajawali II Unit Pabrik Gula Subang
Hasil perkebunan merupakan salah satu komoditi yang sangat berperan dalam pertumbuhan ekonomi Indonesia, baik sebagai komoditi ekspor penambah devisa ataupun pemenuhan kebutuhan dalam negeri. Dengan adanya komoditi perkebunan tersebut, maka berkembang pula pabrik – pabrik pengolahannya yang telah banyak dibangun sejak jaman penjajahan Belanda. Dengan umur pabrik yang sudah demikian lama, maka telah banyak bagian yang mengalami penurunan kinerja alat dalam sistem prosesnya. Salah satu indikator penurunan kinerja tersebut adalah semakin meningkatnya jumlah panas yang hilang dari sistem energi pabrik tersebut dan belum termanfaatkan. Dengan semakin mahalnya harga penyediaan energi, maka adanya energi yang hilang menyebabkan pula naiknya biaya produksi, sehingga perlu dilakukan penghematan energi melalui perbaikan kinerja alat untuk mengurangi hilangnya energi atau perubahan rancangan sistem energi sehingga energi dapat dipergunakan secara optimal. Salah satu pabrik pengolahan hasil perkebunan tersebut adalah Pabrik Gula Subang yang berdiri sejak tahun 1984, yang akan dievaluasi sistem energinya khususnya di unit evaporator dengan menggunakan dasar perhitungan data lapangan dan literatur. Dari hasil evaluasi yang dilakukan melalui simulasi perbaikan lapisan isolasi pada unit evaporator dapat menekan jumlah kehilangan panas sebesar 906.681,13 kcal/jam atau 49,7 % terhadap kehilangan panas awal, yang setara dengan biaya sebesar Rp 678.976.500,-. Sedangkan evaluasi melalui simulasi perubahan rancangan sistem energi dengan pemanfaatan energi sisa, kebutuhan energi dapat ditekan hingga 12,2 % terhadap kebutuhan energi awal. Dari evaluasi tersebut, penghematan energi pada seluruh pabrik pengolahan hasil perkebunan di Indonesia pada khususnya dan industri pemakai energi pada umumnya dapat menjadi salah satu alternatif solusi untuk mengatasi krisis energi nasional dalam jangka pendek.
Kata Kunci : evaluasi energi, kehilangan panas, penghematan energi
Pendahuluan
Krisis energi saat ini sedang melanda seluruh dunia, terutama dengan semakin berkurangnya jumlah sumber-sumber energi utama yang berasal dari senyawa organik dari fosil khususnya yang berupa minyak bumi dan gas alam, sedangkan tingkat kebutuhan terhadap sumber energi tersebut semakin meningkat. Krisis energi tersebut secara global ditandai dengan terjadinya fluktuasi harga minyak mentah dunia yang tidak menentu dan di Indonesia khususnya ditandai dengan kenaikan harga BBM yang cukup signifikan pada awal bulan Oktober 2005. Fluktuasi harga minyak mentah dunia dan kenaikan harga BBM tersebut memberikan pengaruh di berbagai bidang, demikian juga di bidang industri yang
menyebabkan terjadinya kenaikan biaya produksi karena energi merupakan salah satu komponen utama dalam menunjang kelangsungan produksi.
Beberapa sumber energi alternatif sedang diteliti dan beberapa diantaranya telah diprediksi mampu menggantikan peran sumber energi dari BBM, namun proses scale-up untuk kebutuhan energi dalam skala yang besar seperti kebutuhan dalam industri masih memerlukan waktu yang cukup lama. Hal ini berarti peran dari sumber-sumber energi utama tersebut belum dapat tergantikan secara keseluruhan, terutama di sektor industri. Padahal industri harus terus menjalankan proses produksi walaupun energi yang tersedia saat ini memiliki nilai biaya yang meningkat, akibatnya nilai keuntungan menurun atau terjadinya kenaikan harga produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, untuk menyikapi kenaikan biaya energi di bidang industri selama energi alternatif yang dapat memenuhi kebutuhan energi dalam industri belum tersedia, maka perlu dilakukan proses efisiensi energi dalam bidang industri sebagai salah satu alternatif pemecahan dalam menangani krisis energi yang terjadi di Indonesia saat ini.
Sebagai negara agraris, hasil perkebunan merupakan salah satu komoditi yang sangat berperan dalam pertumbuhan ekonomi Indonesia, baik sebagai komoditi ekspor penambah devisa ataupun pemenuhan kebutuhan dalam negeri. Dengan adanya komoditi perkebunan tersebut, maka berkembang pula pabrik – pabrik pengolahannya yang telah banyak dibangun sejak jaman penjajahan Belanda. Dengan umur pabrik yang sudah demikian lama, maka telah banyak bagian yang mengalami penurunan kinerja alat dalam sistem prosesnya. Salah satu indikator penurunan kinerja tersebut adalah semakin meningkatnya jumlah panas yang hilang dari sistem energi pabrik tersebut dan belum termanfaatkan. Dengan semakin mahalnya harga penyediaan energi, maka adanya energi yang hilang menyebabkan pula naiknya biaya produksi, sehingga perlu dilakukan penghematan energi melalui perbaikan kinerja alat untuk mengurangi hilangnya energi atau perubahan rancangan sistem energi sehingga energi dapat dipergunakan secara optimal.
Salah satu pabrik pengolahan hasil perkebunan tersebut adalah Pabrik Gula Subang yang berdiri sejak tahun 1984. Di pabrik gula tersebut, kehilangan panas yang terjadi dalam sistem prosesnya belum mendapat perhatian serius dalam proses optimasinya. Padahal pemenuhan kebutuhan energi berupa steam merupakan permasalahan yang kronik bagi pabrik terutama di stasiun penguapan (Evaporator). Permasalahan ini terutama disebabkan oleh terjadinya kehilangan panas (heat loses) yang merupakan kerugian, baik
bagi proses maupun stasiun boiler sebagai penghasil steam dan tentu juga akan berpengaruh terhadap biaya operasional pabrik (operational cost).
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah melakukan proses efisiensi energi dalam industri khususnya pada industri pengolahan hasil perkebunan melalui beberapa proses simulasi efisiensi energi. Dengan adanya simulasi tersebut dapat dikonversikan menjadi pengurangan biaya yang harus dikeluarkan untuk penyediaan energi dan menghemat cadangan sumber energi dari senyawa organik dari fosil di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya.
Metode
Metode yang digunakan untuk melakukan evaluasi sistem energi dalam industri pengolahan hasil perkebunan khususnya di Pabrik Gula Subang di stasiun penguapan adalah :
1. Data – data proses secara aktual didapatkan dari pengamatan lapangan. Data lapangan sebagai data primer diperoleh dengan melakukan pengamatan dan mencatat langsung besaran operasi yang diamati di lapangan.
2. Studi literatur dilakukan untuk memperoleh data yang tidak terdapat pada data pengamatan langsung dan data – data ini diambil dari literatur. Data literatur ini sebagai data sekunder dengan mencari literatur di perpustakaan, internet dan literatur lain.
Sistem evaluasi di stasiun penguapan tersebut dilakukan melalui dua metode simulasi yaitu : Simulasi perbaikan lapisan isolasi pada unit evaporator dan Simulasi perubahan rancangan sistem energi dengan pemanfaatan energi sisa
Hasil dan Pembahasan
1. Simulasi perbaikan lapisan isolasi pada unit evaporator
Di stasiun penguapan PG Subang terdiri dari lima badan penguapan (evaporator) type Evaporator pipa pendek – pipa berdiri (Short tube vertical evaporator) yang disusun seri. Spesifikasi tiap badan penguapan disajikan pada tabel 1 dan kondisi operasi Stasiun Penguapan (Evaporator) disajikan pada tabel 2
Tabel 1 : Spesifikasi Evaporator
Spesifikasi Evap. I Evap. II Evap. III Evap. IV Evap. V Luas pemanas (m2)
Diameter pipa (mm) Panjang pipa (mm) Jumlah pipa (buah) Bahan pipa Diameter (mm) 1.400 33/36 2.500 5.552 SS 3.890 1.400 33/36 2.500 5.552 SS 3.890 1.100 33/36 2.000 5.490 SS 3.790 1.100 33/36 2.000 5.490 SS 3.790 1.100 33/36 2.000 5.490 SS 3.790
Tabel 2 : Kondisi Operasi Stasiun Penguapan
Evap. I Evap. II Evap. III Evap. IV P Tromol 0,97 kg/cm2 0,6 kg/cm2 0,2 kg/cm2 26 cmHg T Tromol 119,6 oC 113,16 oC 105,25 oC 88,43 oC P Ruang Nira 0,6 kg/cm2 0,2 kg/cm2 26 cmHg 60 cmHg T Ruang Nira 113,16 oC 105,25 oC 88,43 oC 61,8 oC
Sama seperti pada kebanyakan alat penukar panas, pemanfaatan panas yang di bawa oleh uap (steam) ke suatu badan dari multiple effect evaporator tidak akan 100%. Sebagian panas selalu kembali dengan radiasi dan konveksi ke lingkungan (ambient atmoshphere). Tromp (1936), menghitung panas yang hilang pada beberapa vessel multiple effect evaporator sebesar 3 – 10 % dari panas yang di suplai ke vessel. Sementara hasil perhitungan yang dilakukan Deerr (1921) pada Quadruffle effect evaporator, panas yang hilang oleh radiasi dan konveksi berkisar 40 kg (90 lb) steam per ton tebu.
Saat ini kebutuhan steam di PG Subang dipenuhi oleh stasiun boiler dengan kapasitas 100 ton steam per jam dengan tekanan 1.960 – 2.156 kPa, namun dalam operasionalnya beban boiler saat ini 85-95 ton uap perjam, padahal beban untuk proses hanya sebesar 70 ton per jam dimana lebih dari setengahnya dipakai untuk pemanas di evaporator. Dengan kemampuan kapasitas boiler yang tersedia, maka penggunaan energi harus benar-benar effisien sehingga tidak menambah beban boiler. Karena dengan semakin mahalnya harga bahan bakar akan menaikan harga pokok produksi.
Untuk mengantisipasi permasalahan diatas, bisa dilakukan dengan peningkatan kapasitas boiler. Akan tetapi hal ini akan menjadi sangat mahal apabila dibandingkan
dengan penghematan penggunaan steam di stasiun evaporator sehingga dapat mengurangi beban boiler. Pemakaian isolator pada beberapa bagian evaporator diharapkan dapat menjadi suatu langkah yang berpotensi untuk diaplikasikan guna mencegah kehilangan panas sebagai upaya penghematan penggunaan steam.
Isolator adalah material yang mempunyai sifat menghambat hantaran panas atau kalor. Banyak jenis dan ragam dari isolator, tetapi sebagai dasar dari pemilihan isolator adalah seberapa kecil harga konduktivitas termal dari bahan isolator tersebut. Keuntungan dari pemakaian isolator adalah sebagai penghambat panas yang paling baik, konstruksinya sederhana, tahan lama, dapat dipasang sendiri, mudah diperoleh dan harganya relatif terjangkau. Efisiensi evaporator hingga kini belum sesuai dengan yang diharapkan karena beban penguapannya masih sangat besar. Umumnya, multiple effect evaporator dengan isolasi yang menutupi bagian silindrical dari vessel dan juga pipa merupakan save all terhadap panas atau kalor .Pada kondisi dimana bagian cover atas evaporator diamankan seluruhnya dengan isolasi, sementara bagian cover bawah dan pipa di biarkan terbuka, kehilangan panasnya bisa mencapai lebih dari 5%. Jika vessel seluruhnya tertutupi dengan isolasi kehilangan panasnya hanya sekitar 2%.
Sandera (1936), telah mendapatkan kehilangan sebesar 83 kcal/m2/h (30 BTU/sq ft/h) yang keluar dari permukaan evaporator yang ditutupi lapisan isolasi dengan ketebalan 60 mm (2 3/8 in), untuk penurunan temperatur 52 oC (94 oF) antara uap dari nira (juice) dengan udara ambient, setara dengan kehilangan 1,6 kcal/m2/oC/h (0,33 BTU/sq ft/oF/h).
Webre dan Kerr (1926), memberikan hasil perhitungan kehilangan panas (heat loss) pada multiple effect evaporator yang disajikan pada table 3. Disana ditunjukan bahwa pada Quadrufle effect evaporator yang di tutupi isolasi sebagian kehilangan panasnya sebesar 5 %, sedangkan jika ditutupi isolasi secara lengkap kehilangan panasnya hanya 2,7 %.
Tabel 3 : Panas Hilang Dari Multiple Effect (Dalam Persen Steam Yang Disuplai ke Effect Pertama)
Multiple effect Vessel terbuka Isolasi sebagian Isolasi lengkap
Double effect 1,06 0,46 0,26
Triple effect 4,20 2,07 1,05
Quadruple effect 9,80 5,00 2,70
Dari hasil pengamatan yang telah dilakukan pada tanggal 26 – 29 Juli 2005 diperoleh data :
Tabel 4 : Hasil Pengamatan di Badan Evaporator
Badan Evaporator
Nira Uap nira Panas Hilang Luasan tak
terisolasi T (oC) T (oC) ∆ T (oC) T’ (oC) Kcal ( m2 ) Badan I 111,20 110,86 1,79 109,07 75.547,99 27,41 Badan II 103,83 103,32 1,86 101,46 499.996,95 28,78 Badan III 87,71 86,89 4 82,89 708.021,42 75,02 Badan IV 66,82 65,04 - - 540.725,87 69,03
Berdasarkan hasil perhitungan dari hasil pengamatan kondisi operasi di Stasiun Penguapan, kehilangan panas yang terjadi disetiap badan evaporator tersaji pada table 3.1. Total kehilangan panas (heat loses) yang cukup tinggi yaitu 1.824.292,24 kcal/jam (7,95 %) dari panas steam yang masuk ke effect pertama. Sedangkan luasan yang tidak terisolasi pada badan evaporator cadangan adalah 49,18 m2, sehingga total luasan tak terisolasi pada unit penguapan adalah sebesar 249,42 m2
Upaya untuk menekan kehilangan panas di stasiun penguapan diperlukan beberapa perbaikan terhadap isolator yang sudah rusak dan penambahan pada bagian-bagian tertentu yang belum terisolasi. Diharapkan dengan perbaikan dan penambahan isolator ini kehilangan panas dapat ditekan dari 7,95 % menjadi 4 % dari uap yang disuplai ke effect pertama dan kondisi operasi quadrufle effect evaporator dapat tercapai.
Tabel 5 : Sasaran Parameter yang Ingin Dicapai
Parameter Saat ini Sasaran
Total Panas yang hilang 1.824.292,24 kcal/jam 917.611,11 kcal/jam
% Kehilangan panas 7,95 % 4 %
Setara dengan bahan bakar 185,6 lt/jam 93,3 lt/jam
Agar sasaran dapat tercapai diperlukan biaya untuk pengadaan peralatan/material yang diperlukan dan biaya pemasangannya, disamping nilai tambah yang akan diperoleh dari penekanan kehilangan panas di stasiun penguapan ini. Biaya untuk pengadaan bahan
berupa Isolator jenis Glass Wool, Seng Coil dan bahan lainnya sebesar Rp. 152.287.500 serta jasa tenaga kerja diestimasikan sebesar Rp. 3.360.000, sehingga diperoleh total biaya sebesar Rp. 155.647.500. Nilai tambah yang diperoleh dari perbaikan dan penambahan isolator pada stasiun penguapan guna menekan kehilangan panas/kalor dari 7,95 % menjadi 4 % adalah sebesar 906.681,13 kcal/jam 49,7 % terhadap kehilangan panas awal setara dengan Rp. 834.624.000 per 120 hari giling. Secara ekonomi telah dilakukan penghematan yang diperoleh dari nilai uang yang diselamatkan dikurangi nilai biaya sebesar Rp. 678.976.500,00, Invesment Rate Return (IRR) sebesar 536 % dan pada depresiasi 10 % nilai Pay Out Time (POT) adalah 0,18 tahun
2. Simulasi perubahan rancangan sistem energi dengan pemanfaatan energi sisa
Nira jernih yang di hasilkan dari stasiun pemurnian memiliki kadar air yang tinggi sekitar 88%. Untuk memperoleh nira kental dengan kadar air rendah maka dilakukan penguapan. Nira jernih masuk ke dalam evaporator I dengan suhu 105 oC. Uap pemanas pada evaporator I digunakan steam dengan tekanan 0,9 – 1 kg/cm2 yang berasal dari uap bekas penggerak turbin. Nira hasil proses penguapan pada badan penguapan I akan diuapkan lagi pada badan II hingga badan penguapan IV. Sedangkan untuk pemanas pada badan II, III, dan IV digunakan uap nira yang berasal dari badan sebelumnya. Diharapkan nira kental yang keluar dari badan penguapan IV memiliki kekentalan 28 – 30 oBeume atau sekitar %brik 64%. Sebagai upaya penghematan penggunaan steam, dalam pengoperasian evaporator uap nira badan I dan uap nira badan II disadap untuk digunakan sebagai media pemanas pada Juice Heater II dan Juice Heater I.
Rancangan sistem energi pada stasiun evaporator dan sekitarnya yang saat ini diterapkan di PG Subang seperti pada gambar 1. Rancangan tersebut saat ini dilakukan tanpa proses bleeding dengan rincian kebutuhan steam yaitu untuk Juice heater I sebesar 8.480,73 kg/jam, Juice heater II sebesar 7.773,46 kg/jam, Evaporator sebesar 24.720,46 kg/jam, sehingga total kebutuhan steam adalah 40.984,93 kg/jam. Jika dilakukan dengan proses bleeding yaitu uap nira I di bleeding ke Juice heater II dan uap nira II di bleeding ke juice heater I, sehingga kebutuhan steam secara ideal menjadi 35.289,49 kg/jam atau terjadi penghematan 13,9 % dari kebutuhan steam saat ini. Namun pelaksaanaan proses
JH III
bleeding ini mengalami kendala yaitu fluktuasi tekanan steam dalam proses. Apabila tekanan steam di bawah 0,65 kg/cm2, maka operasional evaporator tidak dapat dilakukan bleeding secara penuh sehingga badan ke-2 Juice Heater I dan badan ke-1 Juice Heater II memerlukan tambahan steam, akibatnya kebutuhan steam total menjadi 37.612,73 kg/jam atau penghematan 8,2 % dari kebutuhan steam saat ini.
`
Oleh karena adanya kendala fluktuasi tekanan steam, maka dilakukan perubahan rancangan sistem energi dengan cara membuat saluran uap nira badan I untuk dilakukan bleeding ke JH badan ke-3 dan badan ke-6. Jika operasional bleeding murni ( Uap nira I ke
JH I JH I JH I/II JH II JH II Nira Mentah Ke Defekator I Ke Dorr Clarifier Nira tersulfitir Uap Nira Badan II Uap Nira Badan I
Gambar 1. Skema Kondisi Juice Heater saat ini Uap nira dari evaporator
Uap bekas Nira Mentah
Nira mentah tersulfitir Nira encer (Clear Juice)
JH III
JH II dan Uap nira II ke JH I ) tidak tercapai maka sistem energinya dapat dioperasikan seperti pada gambar 2.
`
Pada rancangan gambar 2 tersebut Juice Heater I menggunakan dua badan yaitu pemanas dari uap nira Evaporator II (badan ke-1) dan uap nira Evaporator I (badan ke-2) serta Juice Heater II juga menggunakan dua badan yaitu pemanas dari uap nira Evaporator I (badan ke-1) dan Uap Nira Evaporator II (badan ke-2). Kebutuhan steam total untuk rancangan baru ini sebesar 35.991 kg/jam atau telah terjadi penghematan 12,2 % terhadap kebutuhan
JH I/ III JH I JH I/II JH II JH II Nira Mentah Ke Defekator I Ke Dorr Clarifier Nira tersulfitir Uap Nira Badan II Uap Nira Badan I
Gambar 2. Skema Kondisi Juice Heater Setelah Penambahan Pipa Uap Nira I
Uap nira dari evaporator Uap bekas
Nira Mentah
Nira mentah tersulfitir Nira encer (Clear Juice)
steam saat ini, sehingga telah mendekati kebutuhan steam ideal dengan tidak terkendala oleh permasalahan fluktuasi tekanan steam selama proses.
3. Pengaruh implementasi simulasi efisiensi energi terhadap energi nasional
Berdasarkan hasil evaluasi melalui kedua perhitungan simulasi efisiensi energi tersebut di atas, telah terjadi penghematan energi dari kebutuhan energi yang dibutuhkan di PG Subang saat ini. Penghematan energi tersebut tentu saja mempunyai pengaruh secara langsung terhadap besarnya pengeluaran biaya pabrik tersebut, sehingga menambaha besarnya keuntungan bagi perusahaan.
Secara tidak langsung, dengan adanya penghematan energi di salah satu pabrik akan mengurangi jumlah kebutuhan energi secara nasional, apalagi jika simulasi efisiensi energi tersebut diterapkan pada seluruh pabrik pengolahan hasil perkebunan di Indonesia pada khususnya dan industri pemakai energi pada umumnya. Dengan berkurangnya pemakaian energi nasional untuk industri, maka kebutuhan energi untuk sektor lain dapat terpenuhi. Hal ini berarti penghematan energi dalam sektor ini merupakan salah satu alternatif solusi untuk mengatasi krisis energi nasional dalam jangka pendek sebelum sumber-sumber energi baru pengganti BBM dapat diproduksi dalam skala besar dan dapat diaplikasikan ke masyarakat secara langsung.
Kesimpulan
Berdasarkan uraian pembahasan di atas, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Dari hasil evaluasi yang dilakukan melalui simulasi perbaikan lapisan isolasi pada unit evaporator dapat menekan jumlah kehilangan panas sebesar 906.681,13 kcal/jam atau 49,7 % terhadap kehilangan panas awal, yang setara dengan biaya sebesar Rp 678.976.500,-.
2. Dari hasil evaluasi melalui simulasi perubahan rancangan sistem energi dengan pemanfaatan energi sisa, kebutuhan energi dapat ditekan hingga 12,2 % terhadap kebutuhan energi awal.
3. Penghematan energi pada industri pengolahan hasil perkebunan di Indonesia pada khususnya dan industri pemakai energi pada umumnya adalah alternatif solusi untuk mengatasi krisis energi nasional dalam jangka pendek.
Daftar Pustaka
Holman, JP, 1994, “Perpindahan Kalor”, edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta
Hugot, E, 1986, “Handbook of Cane Sugar Engineering”, 3rd Completely Revised Edition, Elsevier, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo
Linhoff, B, 1982, “ A User Guide on Process Integration for Efficient Use of Energy “, The Institution of Chemical Engineers, England.
Perry, R.H., 1973, “ Chemical Engineer’s Handbook “, fifth edition, Mc Graw-Hill Ltd., Kogakusha.
Soejardi, Ir, 1985,”Penguapan Alat Pengolahan Pabrik Gula”, Lembaga Pendidikan Perkebunan, Yogyakarta
Smith J.M., Van Ness H.C., Abbott M.M., (1996), “ Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics ”, 5th ed., Mc. Graw Hill Kogakusha Ltd, Tokyo
