Latar Belakang
Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Di samping itu, ketergantungan terhadap minyak bumi tidak dapat dipertahankan lagi untuk jangka panjang, sehingga diperlukan upaya untuk mensubsitusi minyak bumi melalui pengembangan dan pemanfaatan energi baru terbarukan, yaitu tenaga surya, angin, biomassa, gambut, dan sebagainya.
Misi Pengelolaan Energi Nasional, diantaranya adalah menyediakan energi yang terjangkau untuk kaum dhuafa dan daerah yang belum berkembang, Blueprint Pengelolaan Energi Nasional : 2005-2025 (ESDM 2005). Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa (kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya). Indonesia yang secara geografis berada di daerah tropis, memiliki ketersediaan forest biomass dan limbah pertanian yang sangat melimpah masing-masing tersebar di Sumatra, Sulawesi, Papua, Jawa dan Pulau lainnya, sehingga potensi biomassa diseluruh Indonesia mencapai 261.99 juta ton. (Departmen Kehutanan 2000). Jika nilai kalor yang dimiliki kayu rata-rata 17 MJ/kg, maka ketersediaan energi biomassa setara dengan 4.45x109 GJ. Dengan konsumsi energi rata-rata negara maju 10 GJ per kapita per tahun (Krisnha Prasad 1985), maka rasio kebutuhan dan ketersediaan baru mencapai 49.44%, sehingga energi biomassa dapat mencukupi untuk kebutuhan penduduk Indonesia.
Kebutuhan bahan bakar untuk transportasi, industri, komersial, rumah tangga dan lainnya dari tahun 2005 hingga tahun 2025 diperkirakan naik secara signifikan, yaitu dari 900 juta setara barrel minyak (SBM) menjadi 2800 juta SBM (kenaikan 211%). Skenario kebutuhan energi dari tahun 2002 sampai tahun 2025 tersaji pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1 Skenario kebutuhan energi di Indonesia 2002-2025 (ESDM 2005).
Berdasarkan grafik di atas, kebutuhan energi di Indonesia pada tahun 2025 mencapai 5000 juta SBM (tanpa konservasi energi) namun kebutuhan dapat ditekan sampai 2900 juta SBM apabila dilaksanakan kebijakan hemat energi melalui program konservasi energi. Pilihan teknologi yang dapat dikembangkan adalah gasifikasi biomassa, dimana gas mampu bakar dari reaktor dikonversi menjadi energi listrik dan gas buangnya dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses desorpsi mesin pendingin adsorpsi. Teknologi gasifikasi pada penelitian ini meliputi; pilihan biomassa, desain gasifier aliran ke bawah serta alat pemurnian gas mampu bakar, pilihan mesin pembangkit tenaga (diesel), desain alat penukar kalor dan modifikasi generator mesin pendingin adsorpsi hasil rancangan peneliti sebelumnya (Rofik 2001).
Biomassa sebagai Energi Alternatif. Biomassa sebagai energi alternatif dapat dijadikan sumber energi pengganti BBM untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Kenaikan harga minyak mentah dunia yang mencapai 119.5 USD per barrel pada akhir April 2008, mengakibatkan kenaikan biaya operasional
pembangkit listrik tenaga Diesel. Biaya produksi listrik mencapai Rp2 750 per kWH, sehingga program diversifikasi energi menjadi sangat strategis
10 tahun terakhir mencapai 6-9% per tahun. Pembangkit listrik di Indonesia menghasilkan energi listrik sebesar 25 218 MW pada tahun 2005 (Musyawarah METI 2005).
Salah satu energi alternatif yang berpotensi di daerah terpencil adalah biomassa, karena cadangan biomassa di Indonesia sebesar 261.99 juta ton atau setara dengan 49.81 GW. Selain itu konversi biomassa menjadi sumber energi untuk pembangkit listrik memiliki beberapa keuntungan, yaitu: lebih murah, dapat mensubsitusi bahan bakar minyak, lebih ramah lingkungan, dan polutan gas buang dari motor pembangkit tenaga dapat digunakan sebagai sumber panas pada sistem pendingin adsorpsi (pasangan methanol-silikagel). Dengan demikian biomassa dapat dijadikan energi alternatif untuk menghasilkan energi listrik dan
menjadi sumber panas untuk mesin pendingin adsorpsi. Peta distribusi biomassa di Indonesia tersaji pada Gambar 1.2.
Gambar 1.2 Potensi biomassa di Indonesia (Sumber: Dephut.2000).
Biomassa sebagai energi alternatif diharapkan mampu memenuhi kebutuhan listrik, khususnya di daerah terpencil. Sehingga 105 juta penduduk pedesaan terpencil dapat menikmati energi listrik. Hal ini sesuai dengan rencana PLN yaitu rasio elektrifikasi mencapai 100% pada tahun 2020. Terdapat korelasi yang positif antara konsumsi listrik dengan kesejahteraan masyarakat, tersaji pada Tabel 1.1.
* 44.4 **7.6 *12.6 **15.8 * 53.2 **0.07 * 2.6 ** 12 * 13.5 ** 90 *4.7 **0.68 * 16.6 ** 2.2 *38.6 **0.02 Other Islands: * 12.6 ** 15.8
* : Forest Biomass ** Agriculture Waste
Tabel 1.1 Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat No NEGARA GDP (USD/kapita/tahun) Konsumsi Listrik (kWh/kapita/tahun) 1 Indonesia 695.00 407.00 2 Malaysia 3 699.00 2 731.00 3 Amerika Serikat 32 601.00 8 944.00 4 Jepang 35 277.00 11 708.00
Sumber : Handbook of Energy and Economic Statistic in Japan, 2003
Namun penggunaan biomassa untuk energi alternatif pada tahun 2005 hanya sebesar 0.61% dari kebutuhan energi atau setara dengan 302.4 MW, karena riset teknologi pemanfaatan biomassa belum berkembang di Indonesia. Salah satu teknologi pemanfaatan biomassa yang mungkin dikembangkan di Indonesia adalah gasifikasi. Dengan teknologi ini, energi biomassa diharapkan mampu menghasilkan energi listrik sebesar 810 MW pada tahun 2025.
Berdasarkan kebijakan pemerintah, energi alternatif mampu menghasilkan energi listrik sebesar 11140 MW atau kenaikan sebesar 927.17% pada tahun 2025. Perkembangan energi baru terbarukan di Indonesia pada tahun 2005 sampai tahun 2025 mencapai tersaji pada Tabel 1.2.
Tabel 1.2 Sasaran produksi listrik energi baru terbarukan (EBT)
Jenis EBT Tahun 2005 Tahun 2025
Panas bumi 807 MW 9 500 MW
PLTMH 84 MW 500 MW (on grid)
330 MW (off grid)
Energi surya 8 MW 80 MW
Biomassa (listrik) 302 MW 810 MW
Energi angin 0.5 MW 250 MW (on grid)
5 MW (off grid)
Biodiesel 5% total konsumsi solar (4.7 juta kL)
Gasohol 5% total konsumsi bensin
Bio oil 2.5% total konsumsi minyak bakar dan
IDO
Sumber : Dirjen Listrik dan Pemanfaatan Energi (Disampaikan pada Musyawarah ke-3 Masyarakat Energi Terbarukan Indonesia, 22 September 2005)
Gasifikasi Biomassa. Gasifikasi adalah teknologi yang memanfaatkan biomassa untuk menghasilkan listrik. Proses gasifikasi dimulai dari pembakaran tidak sempurna kayu di dalam reaktor untuk menghasilkan gas mampu bakar, lalu didinginkan, dimurnikan dan dicampur dengan udara di dalam mixer, kemudian masuk ke mesin Diesel untuk selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik. Biomassa yang digunakan pada penelitian ini adalah kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem, gasifier yang dipakai adalah jenis unggun tetap aliran ke bawah (Imbert downdraft gasifier) (Jain 1996).
Hasil penelitian gasifikasi berbahan bakar umpan sekam padi mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 100 kW dengan konsumsi pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator adalah 1.84 kg/kW-jam (Gaos 2001). Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin, kapasitas 40 kW, dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator adalah 1.56 kg/kW-jam (Trisaksono 1993).
Alat Penukar Kalor. Gas buang yang keluar dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki kandungan energi termal yang cukup tinggi antara 30-35% dari energi hasil pembakaran. Dalam rangka program hemat energi, gas buang sebagai low level energy dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses penguapan metanol dari silikagel (proses desorpsi). Alat penukar kalor yang digunakan berjenis aliran silang, dimana fluida panas adalah gas buang dan fluida dingin adalah air. Fungsi alat penukar kalor sebagai media pemindah panas dari gas buang ke generator desorpsi melalui fluida air.
Mesin Pendingin Adsorpsi. Mesin pendingin adsorpsi merupakan salah satu alternatif mesin pendingin yang ramah lingkungan dan ramah energi. Mesin pendingin adsorpsi tidak mengunakan freon sebagai zat pendingin dan memanfaatkan gas buang gasifier sebagai sumber panas untuk proses pendinginan. Gas buang dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki panas sebesar 30% dari panas total hasil pembakaran. Panas gas buang sebagai low level energy dapat dimanfaatkan untuk pengering maupun pendingin mesin adsorpsi guna perlakuan produk hasil panen, sehingga dapat memberikan sumbangan dalam mencapai tujuan hemat energi melalui penerapan konsep konservasi energi, seperti Tabel 1.1.
Pada penelitian ini, zat pendingin yang digunakan adalah pasangan methanol-silikagel. Gas buang digunakan sebagai pengganti fungsi kompresor. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Mesin pendingin adsorpsi dengan pasangan metanol-silikagel telah diteliti di India dengan hasil COP 30%, suhu air pendingin evaporator -2 oC, suhu air pemanas generator desorpsi 85 oC, laju energi pemanasan desorpsi 2 kW, dan suhu kondensasi 30 oC (Oertel & Fisher 1998).
Hasil penelitian cogeneration, telah dibuat secara komersial dengan kapasitas pendinginan antara 174-2326 kW melalui motor pembangkit tenaga dengan sistem pendingin absorpsi menggunakan media lithium bromide-air (Broad Chillerfor Centaur 50 USA 2005). Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kJ/kg zeolit dengan COP 0.08. Percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.92 m2 (Sumanthy 1999).
Tujuan Penelitian
Penelitian ini secara umum bertujuan untuk merancang bangun dan menganalisa energi dan eksergi pada gasifikasi biomassa untuk pembangkit listrik dan pemanfaatan gas buang sebagai pemasok panas bagi pendingin adsorpsi. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk :
1) Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi temperatur dalam reaktor gasifikasi dengan umpan kayu.
2) Menghitung luas permukaan sentuh alat penukar kalor dengan menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern. 3) Menganalisis kinerja dan eksergi alat penukar kalor.
4) Menghitung kebutuhan energi untuk proses desorpsi di dalam generator pendingin adsorpsi dengan pendekatan kimia dan pendekatan termodinamika. 5) Menganalisis kinerja dan eksergi generator desorpsi.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya yang berkaitan dengan pemanfaatan sumber energi biomassa untuk pembangkit listrik skala kecil, diharapkan mampu memenuhi kebutuhan energi listrik didaerah terpencil yang terisolasi. Selanjutnya, gas buang hasil pembakaran dari mesin pembangkit tersebut dimanfaatkan untuk energi pemanasan pada generator mesin pendingin adsorpsi methanol silicgel. Hasil penelitian tersebut dapat dimanfaatkan sebagai acuan dalam melakukan perancangan dan pembuatan sistem pembangkit tenaga dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini merupakan suatu rangkaian kegiatan untuk mampu mengkonversikan energi yang dimiliki kayu menjadi gas untuk bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik, dimana gas buangnya dapat dimanfaatkan untuk pemanasan generator mesin pendingin adsorpsi metanol silikagel, sehingga ruang lingkup penelitian ini meliputi :
1) Pemodelan matematik untuk menduga sebaran suhu dan koefisien pindah panas di dalam reaktor, yang merupakan indikator pembentukan gas mampu bakar selama proses pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi.
2) Analisis komposisi gas mampu bakar dan gas buang, proksimat, ultimat dan nilai kalor umpan kayu.
3) Perancangan reaktor, separator, filter gas, pendingin gas, akumulator, siklon, unit pencampur, panel kontrol, dan alat penukar kalor.
4) Penelitian gasifikasi dengan menggunakan 3 jenis umpan kayu: borneo, lamtorogung, dan asem.
5) Analisis pembentukan gas mampu bakar selama proses oksidasi, pirolisis, pengeringan dan reduksi Gasifier unggun tetap jenis aliran kebawah, yang merupakan reaktor konversi umpan kayu sebagai sumber energi hidro karbon menjadi gas mampu bakar antara lain : karbon monoksida, hidrogen dan gas metan yang untuk selanjutnya dengan menggunakan mesin pembakaran
kompressi (compression ignition engine) dapat dikonversi menjadi energi listrik.
6) Uji performansi mesin pembangkit tenaga listrik, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi.
