BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob). Komponen biogas terdiri dari ± 60 % CH4 (metana), ± 38 % CO2 (karbondioksida), ± 2 % N2, O2, H2, dan H2S. Biogas dapat dibakar seperti elpiji, dalam jumlah yang lebih besar biogas dapat digunakan sebagai pembangkit energi listrik, sehingga dapat dijadikan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan dan terbarukan.
Biogas yang didominasi oleh gas metana, merupakan gas yang dapat dibakar. Metana secara luas diproduksi dipermukaan bumi oleh bakteri pembusuk dengan cara menguraikan bahan organik. Bakteri metanogenesis berperan dalam pembusukan. Bakteri ini terdapat di rawa-rawa, lumpur sungai, sumber air panas dan perut hewan herbivora seperti sapi dan domba. Hewan-hewan ini tidak dapat memproses rumput yang mereka makan, bila tidak ada bakteri anaerobik yang memecah selulosa di dalam rumput menjadi molekul-molekul yang dapat diserap oleh perut mereka. Gas yang diproduksi oleh bakteri ini adalah gas metana .
Tabel 2.1 Komposisi jenis gas dan jumlahnya pada suatu unit gas bio
Jenis Gas Kandungan (%)
Metana 60-70
Karbondioksida 30-40
Nitrogen 3
Hidrogen 1-10
Oksigen 3
Hidrogen Sulfida 5
2.1.1 Bahan Penghasil biogas
Biogas atau gas bio merupakan salah satu jenis energi yang dapat dibuat dari banyak jenis bahan buangan dan bahan sisa, semcam sampah, kotoran ternak, jerami dan eceng gondok serta banyak bahan-bahan lainnya lagi. Dengan kata lain, segala jenis bahan yang dalam istilah termasuk senyawa organik.
Kotoran hewan lebih sering dipilih sebagai bahan pembuat gas bio karena ketersediaannya yang sangat besar diseluruh dunia. Bahan ini memiliki keseimbangan nutrisi, mudah diencerkan dan relatif dapat diproses secara biologi. Kisaran pemrosesan secara biologi antara 28-70 % dari bahan organik tergantung dari pakannya. Selain itu kotoran segar lebih mudah diproses dibandingkan dengan kotoran yang lama dan atau telah dikeringkan, disebabkan karena hilangnya substrat volatil solid selama waktu pengeringan.
Pada umumnya komposisi kotoran sapi memiliki karakteristik yang dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2.2 Karakteristik Kotoran Sapi
Komponen Massa (%)
Total Padatan 3-6
Total padatan volatile (mudah menguap) 80-90
Total Nitrogen 2-4
Selulosa 15-20
Lignin 5-10
Hemiselulosa 20-25
Sumber : Kumbahan dan industri (1979)
cepat. Walaupun demikian, bila kotoran tersebut akan langsung diproses dalam tangki pencerna, perlu dilakukan pembersihan terlebih dahulu.
Ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas:
1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu: Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa jenis Enterobactericeae,
2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio,
3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus Methanosacaria, dan Methanococcus.
Sedangkan terkait dengan temperatur, secara umum ada 3 rentang temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:
1. Psicrophilic (suhu 4o – 20o C), biasanya untuk negara-negara subtropics atau beriklim dingin,
2. Mesophilic (suhu 20o – 40o C),
3. Thermophilic (suhu 40o – 60o C), hanya untuk men-digesti material, bukan untuk menghasilkan biogas.
Dengan demikian, untuk negara tropis seperti Indonesia, digunakan unheated digester (digester tanpa pemanasan) pada kondisi kondisi temperatur tanah 20 0C – 30 0C.
2.1.2 Proses Produksi Biogas
Secara garis besar proses pembentukan biogas dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu:
1. Tahap Hidrolisis (Hydrolysis)
diubah menjadi monosakarida, sedangkan protein diubah menjadi peptide dan asam amino.
2. Tahap Asidifikasi (Acidogenesis dan Acetogenesis)
Pada tahap ini, bakteri (Acetobacter aceti) menghasilkan asam untuk mengubah senyawa rantai pendek hasil proses hidrolisis menjadi asam asetat, hidrogen, dan karbon dioksida. Bakteri tersebut merupakan bakteri anaerob yang dapat tumbuh dan berkembang dalam keadaan asam. Bakteri memerlukan oksigen dan karbondioksida yang diperoleh dari oksigen yang terlarut untuk menghasilkan asam asetat. Pembentukan asam pada kondisi anaerobik tersebut penting untuk pembentukan gas metana oleh mikroorganisme pada proses selanjutnya. Selain itu bakteri tersebut juga mengubah senyawa berantai pendek menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan sedikit gas metana.Tahap ini termasuk reaksi eksotermis yang menghasilkan energi.
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (-118 kJ per mol).
3. Tahap Pembentukan Gas Metana (Methanogenesis)
Pada tahap ini, bakteri Methanobacterium omelianski mengubah senyawa hasil proses asidifikasi menjadi metana dan CO2 dalam kondisi anaerob. Proses pembentukan gas metana ini termasuk reaksi eksotermis. CH3COO- + H+ CH4 + CO2 (-36 Kj per mol)
2.1.3 Nilai Kalor Biogas
Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang dihasilkan dapat dihitung.
CH
4 + O2 CO2 + 2H2O
16.042 + 64 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb atau 1,017438 kg H
2O/lb CH4
Dengan mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang dibakar. HHV dan LHV untuk pembakaran metana dapat kita lihat sebagai berikut.
HHV = 23,890 Btu/lb atau 55,63786 kJ/kg*
LHV = 21,518 Btu/lb atau 50,11366 kJ/ kg* * pada 68 °F dan 14.7 psia.
Berikut ini adalah table sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya : Tabel 2.3 Sifat-sifat Biogas tiap %CH4 yang dikandungnya
2.2Mesin Diesel
Salah satu penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi panas untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri didapat dengan proses pembakaran, proses fusi bakan bakar nuklir atau proses-proses yang lain. Ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam.
Pada mesin pembakaran luar, proses pembakaran terjadi di luar mesin dimana energi panas dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam atau dikenal dengan motor bakar, proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Motor diesel disebut juga motor bakar atau mesin pembakaran dalam karena pengubahan tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanik dilaksanakan di dalam mesin itu sendiri. Di dalam motor diesel terdapat torak yang mempergunakan beberapa silinder yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder itu terjadi pembakaran antara bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara. Gas yang dihasilkan oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang dihubungkan dengan poros engkol oleh batang penggerak. Gerak translasi yang terjadi pada torak menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi tersebut mengakibatkan gerak bolak-balik torak.
Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin bensin yang menggunakan busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.
2.2.1 Siklus Diesel (Tekanan Tetap)
Siklus Diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau mesin diesel. Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan panas pada tekanan tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus tekanan tetap. Dalam diagram P-v, siklus diesel dapat digambarkan seperti berikut.
Gambar 2.1 Diagram T - S dan P - V siklus diesel
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel 1. Langkah Isap
terbuka, yang menyebabkan ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga udara murni langsung masuk ke ruang silinder melalui filter udara.
2. Langkah Kompresi
Poros engkol terus berputar, piston bergerak dari TMB ke TMA, kedua katup tertutup, Udara murni yang terhisap tadi terkompresi dalam ruang bakar. Karena terkompresi, suhu dan tekanan udara tersebut naik hingga mencapai 35 atm dengan temperatur 500o-800o (pada perbandingan kompresi 20 : 1).
3. Langkah Usaha
Poros engkol masih terus berputar, beberapa derajat sebelum torak mencapai TMA. Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Karena suhu udara kompresi yang tinggi, terjadilah pembakaran yang menghasilkan tekanan eksplosif yang mendorong piston bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaah tertutup. Gaya dorong ke bawah diteruskan oleh batang piston ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi. Langkah usaha ini berhenti ketika katup buang mulai membuka beberapa derajat sebelum torak mencapai TMB.
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA. Bersamaan itu juga, katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju saluran pembuangan (exhaust)
2.2.2 Siklus aktual motor diesel
setengah langkah ekspansi. Perbandingan efisiensi antara siklus aktual dan teoritis adalah sekitar 0,85.
Gambar 2.3 Siklus aktual motor diesel 4 langkah
2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Mesin Diesel
Karakteristik bahan bakar mesin diesel yaitu : a. Volatilitas (Penguapan)
Penguapan adalah sifat kecenderungan bahan bakar untuk berubah fasa menjadi uap. Tekanan uap yang tinggi dan titik didih yang rendah menandakan tingginya penguapan. Makin rendah suhu ini berarti makin tinggi penguapannya.
b. Titik Nyala
Titik nyala adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar dapat menimnbulkan uap yang dapat terbakar ketika disinggungkan dengan percikan atau nyala api. Nilai titik nyala berbanding terbalik dengan penguapan.
c. Viskositas
d. Kadar Sulfur
Kadar sulfur dalam bahan bakar diesel yang berlebihan dapat menyebabkan terjadinya keausan pada bagian-bagian mesin. Hal ini terjadi karena adanya partikel padat yang terbentuk ketika terjadi pembakaran.
e. Kadar air
Kandungan air yang terkandung dalam bahan bakar dapat membentuk kristal yang dapat menyumbat aliran bahan bakar. f. Kadar Abu
Kadar abu menyatakan banyaknya jumlah logam yang terkandung dalam bahan bakar. Tingginya konsentrasi dapat menyebabkan penyumbatan pada injeksi, penimbunan sisa pembakaran.
g. Kadar Residu Karbon
Kadar residu karbon menunjukkan kadar fraksi hidrokarbon yang mempunyai titik didih lebih tinggi dari bahan bakar, sehingga karbon tertinggal setelah penguapan dan pembakaran bahan bakar. h. Titik Tuang
Titik tuang adalah titik temperatur terendah dimana bahan bakar mulai membeku dan terbentuk kristal-kristal parafin yang dapa menyumbat saluran bahan bakar.
i. Kadar Karbon
Kadar karbon menunjukkan banyaknya jumlah karbon yang terdapat dalam bahan bakar.
j. Kadar Hidrogen
Kadar hidrogen menunjukkan banyaknya jumlah hidrogen yang terdapat dalam bahan bakar.
k. Angka Setana
bahan bakar adalah persen volume dari setana dalam campuran setana dan alfa-metil-naftalen yang mempunyai mutu penyalaan yang sama dengan bahan bakar yang diuji. Bilangan setana 48 berarti bahan bakar setara dengan campuran yang terdiri atas 48 % setana dan 52 % alfa-metil-naftalen.
l. Nilai Kalor
Nilai kalor menunjukkan energi kalor yang dikandung dalam setiap satuan massa bahan bakar. Semakin tinggi nilai kalor suatu bahan bakar, semakin besar energi yang dikandung bahan bakar tersebut persatuan massa.
m. Massa Jenis
Tabel 2.4 Spesifikasi minyak solar
Sumber: Surat Keputusan Dirjen Migas 3675/K/24/DJM/2006
2.3Teori Pembakaran
Pada motor bakar, proses pembakaran merupakan reaksi kimia yang berlangsung sangat cepat antara bahan bakar dengan oksigen yang menimbulkan panas, sehingga mengakibatkan tekanan dan temperatur gas yang tinggi. Kebutuhan oksigen untuk pembakaran diperoleh dari udara yang merupakan campuran antara oksigen dan nitrogen, serta beberapa gas lain dengan presentase yang relatif kecil dan dapat diabaikan. Reaksi kimia antara bahan bakar dan
No Karakteristik Unit Batasan Metode Uji
MIN MAX ASTM IP
17 Bilangan Asam Kuat mgKOH
/gr - 0 D-664
18 Bilangan Asam Total mgKOH
yang komposisinya tergantung dari kualitas pembakaran yang terjadi. Dalam pembakaran, prose yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut
Gambar 2.4 Proses Pembakaran Mesin Diesel
Pembakaran diatas dikatakan sempurna bila campuran bahan bakar dan oksigen (dari udara) mempunyai perbandigan yang tepat, hingga tidak diperoleh sisa. Bila oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (kurus), pembakaran ini menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak
(atau tidak cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya), pembakaran ini
menghasilkan api reduksi.
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding dapur.
Produk pembakaran campuran udara-bahan bakar dapat dibedakan menjadi :
1. Pembakaran sempurna (Pembakaran ideal)
2. Pembakaran tak sempurna
Peristiwa ini terjadi bila tidak tersedia cukup oksigen. Produk pembakaran ini adalah hidrokarbon terbakar maka aldehide, ketone, asam karbosiklis dan sebagian karbon monoksida menjadi polutan dalam gas buang.
3. Pembakaran dengan udara berlebihan
Pada kondisi temperatur tinggi, nitrokgen dan oksigen dari udara pembakaran akan bereaksi dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan NO2).
2.4Performansi Motor Bakar
2.4.1 Daya Poros
Daya mesin adalah besarnya kerja mesin selama waktu tertentu. Pada motor bakar daya yang berguna adalah daya poros, dikarenakan poros tersebut menggerakan beban. Daya poros dibangkitkan oleh daya indikator , yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua mekanisme, sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, seperti pada torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalan. Prestasi motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu adalah :
[ ]
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin (Rpm)
2.4.2 Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik.
T =
………...(2.2) [ ]
2.4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan.
SFC = ̇ ……… (2.3) [ ] ……… (2.4) [ ]
Dimana :
PB = daya (W)
= konsumsi bahan bakar sgf = spesifik grafity
t = waktu (jam)
2.4.4 Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis ( mechanical losses ). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimium yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake ( brake thermal efficiency ).
Jika daya keluaran PB dalam satuan KW, laju aliran bahan bakar mf dalam satuan kg/jam, maka:
ηb =
3600 ……… (2.5) [ ]
2.4.5 Rasio udara – Bahan Bakar (AFR)
Energi yang masuk kedalam sebuah mesin berasal dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon. Udara digunakan untuk menyuplai oksigen yang dibutuhkan untuk mendapatkan reaksi kimia didalam ruang bakar. Agar terjadinya reaksi pembakaran, jumlah oksigen dan bahan bakar harus tepat. Yang dirumuskan sebagai berikut:
………(2.6) [ ]
………..(2.7) [ ]
massa bahan bakar di dalam silinder per siklus laju aliran udara didalam mesin
laju aliran bahan bakar di dalam mesin
tekanan udara masuk silinder
temperatur udara masuk silinder
konstanta udara
volume langkah (displacement)
volume sisa
2.5Nilai Kalor Bahan Bakar
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific Value, CV). Bedasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong :
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
C = Persentase karbon dalam bahan bakar H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor bawah ( Low Heating Value, LHV ), merupakan nilai kalor bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
Selain berasal dari pembakaran hidrogen, uap air yang terbentuk pada proses pembakaran dapat pula berasal dari kandungan air yang memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.9) [Lit. 3 hal 44] Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
peraturan SAE (Society of Automotive Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV).
2.6Emisi Gas Buang
Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas. Opasitas sendiri adalah tingkat ketebalan asap / gas buang dari mesin.
Pada pengujian ini digunakan alat Heshbon Automative Opacity Smokemeter, dimana alat ini digunakan untuk mengukut tingkat ketebalan (opacity) dari gas buang kendaraan. Alat ini sendiri bekerja dengan prinsip penerangan cahaya. Dimana gas buang kendaraan lewat melalui sebuah tabung yang didalamnya telah terpasang lampu. Kemudian, alat pendeteksi photodiode, mendeteksi ketebalan gas buang tersebut dan mengkonversi nilainya untuk dimunculkan pada display.
Adapun Standart nilai opasitas berdasarkan peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang.
Tabel 2.5 Standard Nilai Emisi Gas Buang Indonesia
Kategori Tahun
Penyalaan Kompresi (Diesel)
GVW ≤ 3,5 Ton < 2010 - - 70
≥ 2010 - - 40
GvVW ≥ 3,5 Ton < 2010 - - 70
≥ 2010 - - 50
