Pengaruh Laju Aliran Biogas Terhadap Performansi Mesin Genset Diesel Satu Silinder Dengan Menggunakan Bahan Bakar Solar + Biogas ( Dual Fuel )

(1)

DENGAN MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR SOLAR +

BIOGAS ( DUAL FUEL )

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SHANDY LEO KRISTANTO MARPAUNG NIM. 090401072

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

Abstrak

Biogas dari kotoran sapi, dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif

bagi mesin diesel. Pada penelitian ini, biogas digunakan sebagai bahan bakar pada

mesin genset diesel satu silinder, yang telah dimodifikasi agar dapat bekerja pada

kondisi bahan bakar ganda (dual fuel) untuk menghasilkan listrik. Laju aliran

bahan bakar biogas divariasikan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap

performansi mesin tersebut. Performansi yang dihitung adalah daya, torsi,

konsumsi bahan bakar spesifik (SFC), efisiensi thermal, dan Rasio perbandingan

udara bahan bakar (AFR) yang didapat dari hasil pengujian mesin dengan

menggunakan beban statis 400 dan 800 Watt, dan juga putaran mesin yang

dinaikkan perlahan dari 900 hingga 1400 RPM. Hasil pengujian performansi yang

didapat kemudian dibandingkan dengan mesin genset diesel yang sama yang

menggunakan bahan bakar solar murni, sehingga dapat diketahui pengaruh dari

bahan bakar biogas terhadap performansi mesin diesel tersebut. Pengujian emisi

gas buang juga dilakukan untuk mengetahui kelayakan gas buang dari mesin yang

menggunakan bahan bakar solar dan biogas. Perbandingan nilai ekonomis juga

dihitung untuk mengetahui efiesensi nilai ekonomis dari perubahan bahan bakar.

Dari pengujian didapatkan bahwa daya dan torsi mesin cenderung menurun untuk

beberapa laju aliran aliran biogas, efisiensi thermal dan AFR juga menurun untuk

seluruh laju aliran biogas sedangkan SFC meningkat untuk seluruh laju aliran

biogas. Dengan memakai biogas, biaya ekonomis yang dikeluarkan juga menurun.

Sedangkan hasil pembakaran yang terbaik didapat saat mesin menggunakan bahan

bakar solar murni.

Kata kunci : Mesin Diesel, Bahan bakar fosil, Bahan Bakar solar, Biogas,

(3)

Abstract

Biogas, produce by cow waste, can be used as alternative fuel for diesel

engine. In this study, biogas was used in a direct injection, single cylinder diesel

generator, which has been modified to operate under dual – fuel condition.

Performance in terms of output power, torque, break thermal efficiency, specific

fuel consumption and air – fuel ratio was evaluated over a range of engine

speeds, amount of biogas that flow to engine, and fixed load. All of the data than

to be compared against the data from the same engine using conventional diesel

fuel. Exhaust emission is measured using opacimeter and the economic efficency

value from each fuel variety is determined. Results indicated that both power and

torque was decrease in some bioga’s flow rate, thermal efficiency and Air – Fuel Ratio were also decrease in all biogas’s flow rate, but the specific fuel consumption (Sfc) was increase. Economic value was also decrease on all biogas’s flow rate, because the consumption of diesel fuel was decrease. Thin layer of carbon deposits was found to build up on the fuel injector. From the

opacimeter we got that the engine is best used with diesel fuel.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas

berkat, kesehatan, dan kasih karuniaNya yang diberikan selama pengerjaan skripsi

ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan

dan mendapat gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu

“PENGARUH LAJU ALIRAN BIOGAS TERHADAP PERFORMANSI MESIN GENSET DIESEL SATU SILINDER DENGAN MENGGUNAKAN

BAHAN BAKAR SOLAR + BIOGAS ( DUAL FUEL )”

Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh

penulis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian,

baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen

Pembimbing. Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapat banyak bantuan

dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih

kepada:

1. Kedua orang tua penulis, Ayahanda W. Marpaung dan Ibunda S. br. Malau,

yang telah memberikan dukungan doa, kasih sayang, semangat dan

dukungan kepada penulis untuk dapat mengikuti pendidikan di Departemen

Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku dosen pembimbing yang

banyak meluangkan waktu membimbing penulis dalam menyelesaikan

skripsi ini.

3. Bapak/Ibu staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staff pegawai Pusat Penelitan Kelapa Sawit (PPKS) terkhusus

kepada Bapak Bagus Giri dan Bapak Arjanggi Nasution, yang telah banyak

memberikan bantuan dan masukan yang tak ternilai kepada penulis.

5. Seluruh staff dan pegawa P4TK, terkhusus kepada Bapak Mian Siahaan dan

(5)

6. Seluruh teman-teman penulis, khususnya angkatan 2009 yang tidak dapat

penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan

masukan serta semangat kepada penulis.

7. Seluruh rekan juang di Gerakan Mahasiswa Nasional Indonesia (GmnI)

yang telah memberikan semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena

itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi

penyempurnaan dimasa mendatang.

Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Terima kasih.

Medan, Maret 2014 Penulis

(6)

DAFTAR ISI

2.1.1 Bahan Penghasil Biogas ... 6

2.1.2 Nilai Kalor Biogas ... 7

2.1.3 Proses Produksi Biogas... 9

2.2 Mesin Diesel ... 10

2.2.1 Siklus Diesel (Tekanan Tetap) ... 11

2.2.2 Siklus Aktual Motor Diesel ... 13

2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Mesin Diesel... 14

2.3 Teori Pembakaran... 17

2.4 Performansi Motor Bakar... 18

2.4.1 Daya Poros... 18

2.4.2 Torsi... 19

2.4.3 Konsumsi bahan Bakar Spesifik (SFC)... 19

2.4.4 Efisiensi Thermal... 20

2.4.5 Rasio Udara – Bahan Bakar... 20

2.5 Nilai Kalor Bahan Bakar... 21

2.6 Emisi Gas Buang ... 23

3.3 Metode Pengumpulan data ... 29

3.4 Metode Pengolahan data ... 29

3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian ... 29

3.6 Skema Pengujian Performansi... 32

3.7 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar... 33

(7)

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN

4.1 Daya ... 39 4.1.1 Daya yang dihasilkan menggunakan bahan bakar solar

Murni ... 39 4.1.2 Daya yang dihasilkan menggunakan solar + Biogas

2,5 l/min ... 41 4.1.3 Daya yang dihasilkan menggunakan solar + Biogas

5 l/min ... 43 4.1.4 Daya yang dihasilkan menggunakan solar + Biogas

7,5 l/min ... 45 4.2 Torsi ... 49

4.2.1 Torsi yang dihasilkan menggunakan bahan bakar

solar murni ... 49 4.2.2 Torsi yang dihasilkan menggunakan solar murni + biogas

2,5 l/min ... 51 4.2.3 Torsi yang dihasilkan menggunakan solar murni + biogas

5 l/min ... 53 4.2.4 Torsi yang dihasilkan menggunakan solar murni + biogas

7,5 l/min ... 55 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik ... 59 4.3.1 Perhitungan SFC menggunakan bahan bakar solar Murni .... 59 4.3.2 Perhitungan SFC menggunakan bahan bakar solar murni

+ Biogas 2,5 l/min ... 62 4.3.3 Perhitungan SFC menggunakan bahan bakar solar murni

+ Biogas 5 l/min ... 64 4.3.4 Perhitungan SFC menggunakan bahan bakar solar murni

+ Biogas 7,5 l/min ... 68 4.4 Efisiensi Thermal Brake ... 72

4.4.1 Efisiensi Thermal menggunakan Bahan Bakar Solar

Murni ... 73 4.4.2 Efisiensi Thermal yang dihasilkan menggunakan Bahan

Bakar Solar Murni + Biogas 2,5 l/min ... 75 4.4.3 Efisiensi Thermal menggunakan Bahan Bakar Solar Murni

+ Biogas 5 l/min ... 77 4.4.4 Efisiensi Thermal menggunakan Bahan Bakar Solar Murni

+ Biogas 7,5 l/min ... 79 4.5 Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) ... 83 4.5.1 Perhitungan AFR menggunakan bahan bakar solar murni .... 84 4.5.2 Perhitungan AFR menggunakan bahan bakar solar murni

+ biogas 2,5 l/min ... 87 4.5.3 Perhitungan AFR menggunakan bahan bakar solar murni

+ biogas 5 l/min ... 88 4.5.4 Perhitungan AFR menggunakan bahan bakar solar murni

(8)

4.7.1 Tinjauan nilai ekonomis menggunakan bahan bakar

solar murni... 98

4.7.2 Tinjauan nilai ekonomis menggunakan bahan bakar solar murni + biogas 2,5 l/min ... 100

4.7.3 Tinjauan nilai ekonomis menggunakan bahan bakar solar murni + biogas 5 l/min ... 102

4.7.4 Tinjauan nilai ekonomis menggunakan bahan bakar solar murni + biogas 7,5 l/min ... 103

4.8 Emisi Gas Buang ... 106

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 109

5.2 Saran ... 112

DAFTAR PUSTAKA ... xii

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram P-V dan T-S siklus diesel ... 12

Gambar 2.2 Prinsip Kerja Mesin Diesel ... 16

Gambar 2.3 Siklus aktual motor diesel 4 langkah ... 14

Gambar 2.4 Proses pembakaran mesin diesel ... 17

Gambar 3.1 Mesin genset diesel satu slilinder ... 24

Gambar 3.2 Tachometer Digital ... 25

Gambar 3.3 Multimeter ... 26

Gambar 3.4 Kompresor ... 27

Gambar 3.5 Flow meter... 27

Gambar 3.6 Solenoid Valve ... 28

Gambar 3.7 Alat perbengkelan ... 28

Gambar 3.8 Bom kalorimeter ... 29

Gambar 3.9 Stop Watch ... 29

Gambar 3.10 Heshbon automative opacity smokemeter... 30

Gambar 3.11 Skema Pengujian Performansi ... 32

Gambar 3.12 Diagram alir pengujian performansi dengan bahan bakar solar murni ... 36

Gambar 3.13 Diagram alir pengujian performansi dengan bahan bakar solar murni + biogas ... 37

Gambar 3.14 Diagram alir pengujian emisi gas buang ... 38

Gambar 4.1 Grafik Daya vs Putaran Untuk Beban 400 Watt ... 43

Gambar 4.2 Grafik Daya vs Putaran Untuk Beban 800 Watt ... 44

Gambar 4.3 Grafik Torsi vs Putaran Untuk Beban 400 Watt ... 53

Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Putaran Untuk Beban 800 Watt ... 54

Gambar 4.5 Grafik SFC vs Putaran Untuk Beban 400 Watt... 67

Gambar 4.6 Grafik SFC vs Putaran Untuk Beban 800 Watt... 68

Gambar 4.7 Grafik BTE (%) vs Putaran Untuk Beban 400 Watt ... 78

Gambar 4.8 Grafik BTE (%) vs Putaran Untuk Beban 800 Watt ... 79

Gambar 4.9 Grafik AFR vs Putaran (rpm) pada beban tetap 400 Watt ... 90

Gambar 4.10 Grafik AFR vs Putaran (rpm) pada beban tetap 400 Watt ... 91

Gambar 4.11 Kondisi awal nozel sebelum digunakan dalam pengujian ... 92

Gambar 4.12 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar murni ... 93

Gambar 4.13 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar + biogas 2,5 l/min ... 93

Gambar 4.14 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar + biogas 5 l/min ... 94

Gambar 4.15 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar + biogas 7,5 l/min ... 95

Gambar 6.16 Grafik perbandingan harga vs putaran pada beban 400 Watt .... 105

(10)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komposisi jenis gas dan jumlahnya pada satu unit gas bio ... 5

Tabel 2.2 Karakteristik Kotoran Sapi ... 6

Tabel 2.3 Sifat – Sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya ... 9

Tabel 2.4 Spesifikasi minyak solar ... 16

Tabel 4.1 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar murni pada Variasi Putaran dan beban tetap 400 Watt... 36

Tabel 4.2 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar murni pada Variasi Putaran dan beban tetap 800 Watt... 37

Tabel 4.3 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar + biogas 2,5 l/min pada Variasi Putaran dan beban tetap 400 Watt ... 38

Tabel 4.5 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar + biogas 5 l/min pada Variasi Putaran dan beban tetap 400 Watt ... 40

Tabel 4.6 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar + biogas 5 l/min pada Variasi Putaran dan beban tetap 800 Watt ... 41

Tabel 4.9 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar pada Variasi Putaran dan beban tetap 400 Watt ... 46

Tabel 4.10 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar pada Variasi Putaran dan beban tetap 800 Watt ... 47

Tabel 4.11 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar murni + biogas 2,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 48

Tabel 4.13 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar murni + biogas 5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 50

Tabel 4.14 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar murni + biogas 5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt ... 51

Tabel 4.17 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 56

Tabel 4.18 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt ... 57

Tabel 4.19 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + biogas 2,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 59

(11)

pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 62 Tabel 4.22 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + biogas 5 l/min

pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt ... 63 Tabel 4.23 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + biogas 7,5 l/min

pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 65 Tabel 4.24 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + biogas 7,5 l/min

pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt ... 66 Tabel 4.25 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar

solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 70 Tabel 4.26 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar

solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt ... 71 Tabel 4.27 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 2,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt . 72 Tabel 4.28 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 2,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt . 73 Tabel 4.29 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 74 Tabel 4.30 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 75 Tabel 4.31 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 7,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt .. 76 Tabel 4.32 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar +

Biogas 7,5 l/min pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt . 77 Tabel 4.33 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar murni pada

variasi putaran dan beban tetap 400 Watt ... 82 Tabel 4.34 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar murni pada

(12)

(13)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

PB Daya Keluaran Watt

CV Nilai kalor kJ/kg

Laju aliran massa udara kg/s

Laju aliran bahan bakar kg/jam

n Putaran mesin rpm

Effisiensi termal %

Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.jam

t Waktu pengujian yang ditentukan jam

Ʈ Torsi keluaran mesin N.m

massa jenis bahan bakar kg/m3

V Tegangan listrik Volt

I Arus Listrik Ampere

v Volume bahan bakar ml

d Diameter Silinder mm

S

Panjang Langkah mm

rc Rasio Kompresi

Vd Volume Silinder m3

V

c Volume sisa di silinder m3

(14)

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunanadar, Wiranto. 2004. “Motor Diesel Putaran Tinggi”. Penerbit :

Pradnya Paramita, Jakarta

2. Arismunandar, Wiranto. 1988. “Penggerak Mula Motor Bakar Torak”. Edisi

kelima. Penerbit : ITB Bandung

3. “Buku Petunjuk Yanmar Motor Diesel Yanmar Seri TF (M)”. Penerbit : PT.

Yanmar Diesel Indonesia.

4. Crouse, William. H. 1976 “Automotive Mechanics”, Seventh

Edition-McGrawHill Book Company

5. Culp, Archie, W, 1991 .“Prinsip – Prinsip Konversi Energi”. Cetakan ketiga.

Penerbit : Erlangga, Jarkarta. Hal. 44.

6. Heywod, Jhon, B. 1988. “Internal Combustion Engine Fundamentals”.

McGraw Hill Book Company, New York

7. Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang

Ambang Batas Emisi Gas Buang

8. Pourmovahead, Ahmad. Opperman, Terrence. Lemke, Brenda. “Performance

and Efficiency of a Biogas CHP System Utilizing a Stirling Engine”,

Kettering University, Michigan

9. Pulkrabek, Willard W. 1997. “Engineering Fundamentals Of The Internal

Combustion Engine”. Prentice Hall, New Jersey

10. Skrotzki, Bernad, D. Penerjemah Zulkifli Harahap. 1979. “Power Station

Engineering and Economy”. Mc Graw Hill Publishing Book Company

Ltd, New Delhi, hal 170

11. Svenskt Gastekniskt Center AB. 2012 “Basic Data On Biogas”. 2nd edition.

Sweden

12. Tippayawong, N. Promwungkwa, 2011 A. Rerrkriangkrai, P. “Long Term

Operation of a small biogas/diesel dual-fuel engine for on-farm

electricity generation”. Chiang Mai University, Thailand

13. Y. A. Çengel and M. A. Boles. 2006. “Thermodynamics: An Engineering