TUGAS MATA KULIAH
PEMANFAATAN DAN KONSERVASI SDA-B
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SAMPAH (PLTSa)
Disusun oleh : Andang Dwi Prasetyo
Ardian Fauzi Hans Jodhie
Patricia Wahyuan D Reza Hendy Djoerkaeff
14/367068/TK/42320 14/367112/TK/4235 14/369459/TK/42631 14/363541/TK/41644 14?363487/TK/41603
Dosen Pengampu:
Rochim Bakti Cahyono, S.T., M.Sc., D.Eng.
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA
I. LATAR BELAKANG
Jumlah produksi sampah di Indonesia terutama di kota-kota dengan kepadatan penduduk yang tinggi meningkat secara signifikan seiring pertembuhan populasi dan perkembangan ekonomi. Menurut hasil penelitian yang dilakukan oleh NUDS (National Urban Development Strategy, 2003) menunjukan rata-rata buangan sampah kota adalah 0.5 kg/hari. Dengan mengalikan data jumlah penduduk maka dapat diketahui prakiraan potensi sampah di Kabupaten Bantul yaitu sekitar 464.338 kg/hari atau sekitar 464 ton/hari. Jumlah penduduk kota semarang ini dapat ditunjukan dari data BPS (Badan Pusat Statistik) mengenai jumlah penduduk kota semarang pada tahun 2016 yaitu sekitar 928.676.
Secara umum Indonesia menerapkan lahan terbuka sebagai tempat penampungan akhir dari sampah-sampah rumah tangga maupun industri sehingga muncul permasalahan keterbatasan lahan TPA dan memberikan dampak negatif terhadap pemukiman di sekitar wilayah tersebut bau ataupun masalah kesehatan. Oleh karena itu, dibutuhkan teknologi baru yang dapat diterapkan untuk mengurangi volume timbunan sampah secara efektif dan efisien. Selanjutnya teknologi tersebut diharapkan dapat bertahan dalam jangka waktu yang panjang dengan biaya yang minimum.
Waste to Energy adalah salah satu teknologi yang paling efektif dan efisien
untuk mengurangi volume sampah di Indonesia. Energi yang diperoleh dari pemanfaatan sampah digunakan untuk pembangkit listrik. Pada dasarnya, sampah dapat klasifikasikan sebagai sampah padat dan sampah cair. Kedua jenis sampah ini mempunyai kemampuan untuk dapat dimanfaatkan menjadi sumber pembangkitan listrik yang secara garis besar terbagi menjadi dua yaitu konversi biologis dan konversi termal. Koversi biologis melibatkan peran bakteri pengurai sampah organik untuk menghasilkan gas metan pada kondisi tanpa adanya osigen (dekomposisi anaerob). Metode yang digunakan pada studi ini adalah Landfill. Sementara itu, konversi termal adalah proses transformasi sampah menjadi sumber energi dengan menggunakan biogas yang dihasillkan sebagai bahan bakar. Metode yang digunakan pada studi ini adalah proses inserator.
Studi kasus ini mempelajari kajian untuk menentukan analisis kelayakan pembangunan pembangkit listrik dengan bahan baku sampah. Dalam paper ini akan dibahas secara detail mengenai analisis proses maupun analisis ekonomi upaya pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Sampah (PLTSa).
Pengertian Sampah
Sampah merupakan material sisa yang tidak diinginkan setelah berakhirnya suatu proses. Sampah didefinisaikan oleh manusia menurut derajat keterpakaiannya, dalam proses-proses alam sebenarnya tiak ada konsep sampah, yang ada hanyalah produk-produk yang dihasilkan setelah dan selama proses alam berlangsung. Berdasarkan sifat kimianya, sampah dibagi menjadi dua jenis yaitu sampah organik (terdiri dari bahan-bahan penyusun tumbuhan dan hewan yang berasal dari alam) dan sampah anorganik (berasal dari sumber daya alam ter terbaharui seperti mineral dan minyak atau dari proses industri. Berdasarkan sift fisiknya, sampah diklasifikasikan menjadi sampah basah (terdiri dari bahan organik yang mempunyai sifat mudah membusuk) dan sampah kering (tersusun dari bahan organik dan anorganik yang sifatnya lambat aau tidak membusuk dan dapat dibakar).
Komposisi Sampah
Sampah dapat dikelompokkan berdaarkkan komposisinya yang dinyatakan dalam % berat atau % volume dari kertas, kayu, kulit, karet, plastik, logam, kaca, kain, makanan, dan lain-lain (Damanhuri, 2010). Dalam pemilihan cara pengolahan sampah tentunya ditinjau dari karakteristik dan komposisi dari sampah tersebut. Karakteristik sampah sangan bervariasi bergantung pada komponen-komponen sampahnya. Sebagai contoh komponen dan komposisi sampah kota dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 1. Komponen dan Komposisi Bahan Organik Sampah Kota
Bahan Organik Komposisi
Serat Kasar (%) 4,1-6,0
Lemak (%) 3,0-9,0
Abu (%) 4,0-20,0
Air (%) 30,0-60,0
Amonium (mg/g sampah) 0,5-1,14
N organik (mg/g sampah) 4,8-14,0
Total nitrogen (mg/g sampah) 4,0-17,0
Protein (mg/g sampah) 3,1-9,3
Keasaman (pH) 5,0-8,0
Sumber : Hadiwiyoto (1983)
tertentu. Data komposisi sampah dijabarkan dalam bentuk % berat basah untuk kategori kepadatan penduduk tertentu.
Tabel 2. Tipikal Komposisi Sampah Pemukiman (% Berat Basah)
Komposisi Pemukiman
Low Income
Pemukiman
Middle Income
Pemukiman
High Income
Kertas 1-10 15-40 15-40
Kaca, keramik 1-10 1-10 4-10
Logam 1-5 1-5 3-13
Plastik 1-5 2-6 2-10
Kulit, karet 1-5 -
-Kayu 1-5 -
-Tekstil 15 2-10 2-10
Sisa makanan 40-85 20-65 20-50
Lain-lain 1-40 1-30 1-20
Proses konversi termal
Sampah yang berasal dari berbagai tempat dikumpulkan di suatu tempat yang kemudian dipisahkan antara material yang dapat direcycle dan yang tidak dapat direcycle. Material yang tiak dapat direcycle selanjutnya dicacah menggunakan
copping machine dan didistribusikan dengan conveyor kering. Sampah
selanjutnya dikeringkan dalam beberapa hari sebelum masuk ke furnace sehingga kadar air dalam sampah menurun sampai kurang dari 40%. Sampah kering kemudian dibakar di dalam furnace dengan temperatur di atas 850°C. Gas buang digunakan untuk menghasilkan uap dalam boiler sebagai pembangkit listrik. Selanjutnya gas buang diolah terlebih dahulu sebelum dibuang ke lingkungan sekitar.
Gambar 1. Skema Alat Konversi Termal
Proses konversi sampah menjadi biogas
Konversi dilakukan dengan mengumpulkan sampah pada primary treatment
Gambar 2.Flow Diagram dari Produksi Biogas
Sementara reaksi utama (methanogenesis) yang terjadi pada reaktor adalah sebagai berikut:
i. CH3COOH CH4 + CO2
ii. CH3COOH + 4H2 2CH4 + 2H2O
iii. CO2 + H2O CH4 + H2O
Biogas diproduksi ketiga mikroorganisme, yaitu bakteri mereduksi zat zat organik dalam reaktor. Dari proses tersebut dihasilkan biogas dengan komposisi methane 50 – 75%, CO2 25 – 45%, dan gas gas pengotor lain.
Biogas
Pemilihan Reaktor Anaerobic Digestion
Hasil olahan limbah sampah yang telah dikonversi menjadi air lindi memiliki kandungan COD hingga 10.000 ppm. Hal ini yang menjadi dasar pemilihan reaktor biogas. Pada industri PLTBg, terdapat pilihan reaktor seperti Anaerobic Pond,
spesifikasi air lindi dari limbah sampah, kandidat utama dari reaktor anaerobic adalah
Anaerobic Pond dan AFBR.
Tabel 3. Ringkasan dari Reaktor Anaerobic Pond dan Fluidized Bed
Reactor Anaerobic
Low Low High High Moderate Low
Cost Low Low Moderate Moderate Moderate Moderate COD
>3% <3% <3% <3% <3% >3%
Sumber : (Ahmed et al., 2015)
Gambar 3. Process Engineering Flow Diagram dari PLTBg Air Lindi Penjelasan Proses
Air lindi yang berasal dari sampah masuk ke reaktor anaerobic fluidized bed untuk menjalani 4 reaksi simultan (hidrolisis, asidogenesis, acetogenesis, dan methanogenesis) untuk menghasilkan biogas. Biogas kemudian masuk ke scrubber
untuk menghilangkan gas pengotor CO2 dan H2S dengan bantuan dan beroperasi pada tekanan 4 bar pada suhu udara. Biogas yang sudah dimurnikan kemudian masuk ke dalam Gas Engine untuk dikonversi menjadi listrik siap pakai. Flare dalam kasus ini digunakan untuk menjaga Gas Engine dikala produksi biogas melebihi kapasitas
Penurunan kadar COD dalam air
III. METODOLOGI PERHITUNGAN
A. Perhitungan produksi listrik dengan konversi termal
Menghitung massa sampah yang dibakar
Massa sampah yang dibakar = 1
(1−ka) x massa sampah kering (1)
Massa sampah yang dibakar = (1−kao
1−ka ) x massa sampah basah awal (2)
dengan,
ka = kandungan air pada sampah akhir (sampah yang akan dibakar) kao = kandungan air awal pada sampah basah
Mencari HHV dan LHV
HHV (MJ/kg) = -1.3675 + 0.3137 C + 0.7009 H + 0.0318 O (3) LHVwet = HHV*dry (1-W) – Ew* (W+H*
mH20
) (4) dengan,C, H, O = persen massa komponen C, H, dan O menurut ultimate analisis W = kandungan air dalam sampah basah (dalam fraksi massa) H = kandungan H menurut ultimate analisis (dalam fraksi massa) Ew = 2.26 MJ/kg
m
H20 = 8.94HHV = higher heating value, MJ/kg
LHV = lower heating value, MJ/kg
Mencari panas pembakaran steam
Qsteam = ηboiler x LHV x massa sampah total (5) dengan,
Qsteam = panas pembakaran steam, kJ/hari
ηboiler = efisiensi boiler = 85 %
Keadaan isentropis turbin
X3 isen =
S3−S3liq S3vap−S3liq
H3 isen = H3 liq + X(H3 vap – H3 liq) (7)
Wsisen = H3 – H2 (8)
dengan,
X3 isen = fraksi massa gas di titik 3 pada keadaan isentropis S3 = entropi di titik 3 (turbin) = S2 , kJ/kg.K
S3 liq = entropi cairan di titik 3, kJ/kg.K S3 vap = entropi gas di titik 3, kJ/kg.K
H3 isen = enthalpi di titik 3 pada keadaan isentropis, kJ/kg H3 liq = enthalpi cairan di titik 3, kJ/kg
H3 vap = enthalpi gas di titik 3, kJ/kg
Wsisen = kerja turbin pada keadaan isentropis, kJ/kg
Keadaan actual turbin
Wact = ηturbin x Wsisen (9)
H3 act = Wact + H2 (10)
dengan,
Wact = kerja turbin actual, kJ/kg
ηturbin = efisiensi turbin
H3 act = enthalpi aktual di titik 3, kJ/kg
Menghitung Qc pada kondenser
Qc= H4 – H3 (11)
dengan,
Qc= panas yang dilepaskan oleh condenser, kJ/kg
Pada pompa
Ws pompa = V(P2 x P1) (12)
Wact pompa = ηpompa x Ws pompa (13)
H1 = Wact pompa + H4 (14)
dengan,
V = specific volume air pada suhu dan keadaan air masuk pompa,
cm3
kg
ηpompa =
efisiensi pompa
Wact pompa= kerja aktual yang dilakukan oleh pompa, kJ/kg
Pada boiler
QH= H2 – H1 (15)
dengan,
QH = panas yang dibutuhkan oleh boiler, kJ/kg
Menghitung kebutuhan air pendingin
Massa air pendingin =
T = suhu air pendingin saat keluar kondenser, K T0 = suhu air pendingin saat masuk kondenser, K
Menghitung kebutuhan umpan air masuk boiler
Umpan air =
Wact siklus = Wact pompa + Wact turbin (19)
ηthermal = QH
Wact siklus
x 100% (20)
Wact siklus = kerja bersih siklus total, kJ/kg
ηthermal = efisiensi thermal
Menghitung daya listrik yang dihasilkan
Power = Wact siklus x umpan air (21)
dengan,
Power = daya listrik yang dihasilkan, kW Menghitung nilai jual power plant
Nilai jual = Power x Rp1.100,00 (22)
dengan,
Nilai jual = keuntungan yang diperoleh power plant, Rp/[bulan/hari/jam] B. Perhitungan produksi listrik dengan konversi biologis
Persamaan Simulasi Digester AFBR
Performa dari Digester AFBR dapat disederhanakan dengan diagaram berikut:
Source : (Fedailaine et al., 2015)
Figure . Diagram Proses AFBR
Qi, Qf and Qg : Laju input dan output flow dari cairan dan biogas yang dihasilkan, L/d
Si, Sf : konsentrasi dari substrate pada inlet and the outlet (g/L)
Xi,Xf : konsentrasi biomass pada inlet and the outlet (g/L)
Z : konsentrasi methan pada biogas biogas (g/L)
V : volume digester (L)
i. Mass balance pada biomassa
Input + Growth = Output + Accumulation + Detachement
Qi. Xi+μXVt=QfXf+VtdXdt +KdX Vt (23)
Dengan mengasumsikan (Qi = Qf = Q) and (Xf = X), bagi persamaan dengan volume substrat, diperoleh persamaan:
dX
dt =D
(
Xi−X)
+μX−KdX (24)Dengan : D=Q
Vt and The Haldane Equation :
μ=μmax. 1
1+Ks
S +
S KI
Kd : rate of detachment of micoorganisms (hari-1)
μ : rate of growth of anaerobic microoganisms (hari-1)
μmax : rate of growth of anaerobic microorganisms (hari-1)
Ks : half saturation constant (g/L)
KI : coefficient of inhibition (g/L)
ii. Mass balance dari substrat
Input – New New Cell Prouction – Growth – Maintenance = Output + Accumulation + (CH4+CO2+H2+H2S) production
Sf=S : Substrat final is substrate instantaneous S
Yx : coefficient of production of new cells (g/g)
Kmx : substrate degradation rate required to mantain microorganisms (g/g)
YS : biogas coefficient (g/g)
Bagi persamaan dengan V, diperoleh:
dS
iii. Mass balance pada biogas
QiZi=QfZf−K Vt+VtdZ
dt (27)
Produksi methane diawal dan diakhir proses dapat diabaikan, sehingga:
QiZi=QfZf=0 and dZ
dt=K (28)
K=YPμX (29)
YP : methane production ratio (g/g).
Sedangkan untuk CO2, H2, NH3, dapat ditulis sebagai berikut:
dC O2
dt =YCO2μX (30)
d H2
dt =YH2μX (31)
d H2S
dt =YH2Sμ X (32)
Perhitungan daya yang dihasilkan dari konversi biologis
Aliran Limbah Cair = massa sampah x % kandungan air x % air lindih (33)
Flow rate Limbah = aliranlimbah cairdensitas cairan (34)
COD Loading =:konsentrasi COD x flow rate (35)
Produksi CH4 = COD loading x 95%x 0,5 N m 3
kgCOD (36)
Kapasitas = CH4 x 35,7
MJ Nm3C H4
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Produksi listrik
Diperoleh data bahwa produksi sampah di daerah Piyungan yang dapat mencapai angka 400 ton/hari sehingga produksi sampah tersebut dapat dimanfaatkan menjadi sumber pembangkit listrik. Pemanfaatan sampah dengan konversi termal dapat menghasilkan 1613,887912 kW sementara dengan konversi biologis didapatkan kapasitas listrik sebesar 300kW. Apabila dibawa ke sektor ekonomi, produksi listrik dari sampah ini dapat menghasilkan profit sebesar Rp 5.751.896.518 per tahun untuk produksi dari konversi termal dan sebesar Rp120.600.000 per tahun untuk produksi dari konversi biologis.
Biaya Investasi
a. Analisis Ekonomi Solid Waste
Fixed Capital Investment
Tes ekstraksi LFG Rp534.040.000
Ladang Pengumpul Rp1.406.594.081 Sarana pendukung dan sistem
kontrol Rp170.152.510
Blower Rp90.748.005
Flare Rp260.900.515
Gas Treatment Rp1.898.760.733
Paket Generator Set Rp11.911.543.053
Heat Recovery Rp2.977.885.763
Interkoneksi
Rp626.923.31 9
Material/Tenaga kerja konstruksi Rp3.918.270.741
Manajemen proyek & konstruksi Rp2.350.962.445
Biaya engineering Rp2.350.962.445
Biaya tak terduga Rp4.274.661.541
Total Rp32.772.405.151
Salvage Value Rp3.277.240.515
Collection Gas Rp752.996.400
Gas Treatment Rp178.008.819
Electricity Generation Rp2.766.729.795
Total Rp3.697.735.014
TCI = Fixed Capital +
Working Capital Rp36.470.140.165
Indirect Manufacturing Cost
Profit Before Tax Rp6.390.996.131
Sales Tax
1. Percent Return of Investment (ROI)
ROI adalah kecepatan tahanan pengembalian investasi ( modal ) dari keuntungan. Persamaan untuk ROI adalah :
Prb=Pb .ra
If
Pra=Pa. ra
If
Dengan:
Prb = ROI sebelum pajak, dinyatakan dalam desimal Pra = ROI setelah pajak, dinyatakan dalam desimal Pb = keuntungan sebelum pajak persatuan produksi Pa = keuntungan setelah pajak persatuan produksi Ra = kapasitas produksi tahunan
If = fixed capital investment (Peter, et al., 2003)
Maka,
ROI setelah pajak = 18%
2. Pay Out Time (POT)
POT merupakan jangka waktu pengembalian investasi ( modal ) berdasarkan keuntungan perusahaan dengan mempertimbangkan depresiasi. Berikut adalah persamaan untuk POT :
POT sebelum pajak= If
Pb .ra+0,1.If
POT setelah pajak= If
Pa. ra+0,1.If
Maka, (Peter, et al., 2003)
POT sebelum pajak = 3,4 POT setelah pajak = 3,6
b. Analisis Ekonomi untuk Konversi Biogas
Fixed Capital Investment
Reaktor AFBR Rp138.000.000
Scrubber Rp15.000.000
Profit BeforeTax Rp134.000.000
Tax
Rp13.400.00 0
Profit After Tax Rp120.600.000
Dilakukan perhitungan POT dan ROI dengan langkah yang sama seperti di atas :
ROI sebelum pajak = 65%
ROI setelah pajak = 59%
Maka diperoleh hasil perhitungan :
V. KESIMPULAN
1. Limbah sampah dapat dimanfaatkan untuk sumber pembangkit listrik.
2. Limbah sampah yang terdiri dari zat organik dan anorganik dengan kandungan zat organik sebesar 60%, berpotensi untuk dimanfaatkan menjadi bahan baku produksi biogas.
3. Dengan menggunakan metode anerobic digestion dengan menggunakan AFBR, air lindi dapat berkurang kadar COD nya dari 85% hingga 95%, dan dapat terkonversi menjadi 300 kW listrik setiap harinya.
4. Setelah melalui proses digesti, limbah padat yang telah berkurang kadar CODnya dapat dikonversi secara thermal dengan pembakaran.
6. DAFTAR PUSTAKA
Contreau. 1982. Environmental Management of Urban Solid Wastes in Developing Countries. The World Bank
Damanhuri, Enri. 2006. Diktat kuliah TL-3150 Pengelolaan Persampahan. Bandung: Penerbit ITB.
Hadiwiyoto, Soewedo. 1983 Penanganan dan Pemanfaatan Sampah. Jakarta: Yayasan Idayu. Smith, J.M., Van Ness, H.C., and Abbott, M.M., 1996, Introduction to Chemical Engineering
LAMPIRAN
I. Perhitungan Produksi Listrik dengan Konversi Termal
Menghitung komposisi sampah
Dengan persamaan (1 dan 2) maka komposisi sampah yaitu sebagai berikut: Air = 60% x 400 ton/hari
= 240 ton/hari
Kering = 400 ton/hari – 240 ton/hari = 160 ton/hari
Sampah yang dibakar = 1
(1−0.2) x 160 ton/hari = 200 ton/hari = 200000 kg/hari
Menghitung HHV dan LHV
HHV = -1.3675 + (0.3137 x 44.32%) + (0.7009 x 5.68%) + (0.0318 x 42%) = -1.17530104 MJ/kg
LHV = -1.17530104 x (1-0.2) - 2.26 x ( 0.2+5.68 100x8.94 )
= -2.539850752 MJ/kg
Menghitung panas pembakaran
Panas pembakaran total = 200000 kg/hari x -2.539850752 MJ/kg
= -507970.1504 MJ/hari
Dengan efisiensi 85% maka panas pembakaran = 85% x -507970.1504 MJ/hari
= -431774.6278 MJ/hari
Titik 2 (keluar boiler – superheated vapor)
Asumsi: P2 = 5000 kPa T2 = 600oC
Dicari melalui appendix table F.2 superheated steam (Van Ness) diperoleh: H2 = 3664.5 kJ/kg
S2 = 7.2578 kJ/kg.K
Titik 3 (keluar turbin – saturated steam yang terdiri vapor dan liquid)
Asumsi P3 = 15 kPa T3 = 54oC
Dicari melalui appendix table F.1 saturated steam (Van Ness) diperoleh: Hliq = 226 kJ/kg Sliq = 0.755 kJ/kg.K
Hvap = 2599.2 kJ/kgSvap = 8.0093 kJ/kg.K
Siklus dalam kondisi isentropis
X3’ =
Ws turbin = 2353.351359 kJ/kg - 3664.5 KJ/kg
= -1311.148641 kJ/kg
Siklus aktual turbin
Asumsi effisiensi turbin = 85%
Wact turbin = -1311.148641 kJ/kg x 85%
H3act = -1114.476345 kJ/kg + 3664.5 kJ/kg
Titik 4 (keluar kondenser – saturated liquid)
P4 = P3 = 15 kPa
T4 = T3 = 54oC
H4 = Hliq = 226 kJ/kg
Q kondenser = 226 kJ/kg - 2353.351359 kJ/kg
= -2127.351359 kJ/kg = 5054790 kPa.cm3/kg = 5.05479 kJ/kg
Titik 1 (keluar pompa menuju boiler)
= 231.9468118 kJ/kg
Boiler
Q boiler = 3664.5 kJ/kg - 231.9468118 kJ/kg = 3432.553188 kJ/kg
Kerja bersih siklus
Wactual siklus = 5.946811765 kJ/kg + (-1114.476345 kJ/kg)
= -1108.529534 kJ/kg
Effisiensi thermal siklus
Eff =
|
−1108.529534kJ/kg3432.553188kJ/kg
|
x 100%= 32%
Jumlah umpan air yang dibutuhkan
=
|
−3432.553188431774627.8kJkJ/hari /kg|
= 125788.2 kg/hari
= 1.455882 kg/s
Make up water
= 5% x 1.455882 kg/s
= 0.072794 kg/s
Kebutuhan air pendingin
C = −0.00000018
∫
Cp/R = 8.712 x 298 x (1.050336-1) + 0.001252 x( (298)2 – 1) +−0.00000018
3 x (298)3 x ((1.050336)3 -1)
¿ 136.1560827
m air pendingin =
|
−2127.351359KJ/kg 8.314x136.1560827|
= 1.879282877 kg/s
Daya listrik yang dihasilkan
Power =
|
1.455882kg/s −1108.529534kJ/kg|= 1613.887912 kJ/s
= 1613.887912 kW
= 5809996.482 kWh
Nilai jual = 5,809,996.482 kWh x Rp 1100,00 = Rp 6,390,996,131,00
II. Perhitungan Produksi Listrik dari Koversi Biologis
Dengan sampah yang tersedia di daerah piyungan sebesar 400 ton/hari. Teranlisis bahwa dapat menghasilkan biogas dan menghasilkan listrik sebesar 300 kW/hari. Berikut perhitungan produksi listrik secara rinci:
Aliran Limbah Cair : 400 hariton x 60 SampahTotalCairan x 90 Air LindiCairan =216
Flow rate Limbah :