TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Bakar Motor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berupa kerja.Ditinjau dari cara memperoleh energi thermalnya, maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 golongan yaitu motor pembakaran luar dan pembakaran dalam. Motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine) ialah motor bakar yang pembakarannya terjadi di dalam pesawat itu sendiri [1] Motor bakar dapat juga disebut sebagai motor otto. Motor tersebut dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi menghasilkan loncatan bunga api listrik yang membakar campuran bahan bakar dan udara karena motor ini cenderung disebut spark ignition engine. Pembakaran bahan bakar dengan udara ini menghasilkan daya. Di dalam siklus otto (siklus ideal) pembakaran tersebut dimisalkan sebagai pemasukan panas pada volume konstanta. Ntienne Lenoir yang lahir pada tahun 1822 dan meniggal dunia pada tahun 1900 adalah seorang berkebangsaan Perancis yang pertama kali menemukan motor bakar 2 tak. Sedangkan August Otto yang hidup antara 1832 sampai 1891 adalah seorang berkebangsaan Jerman yang membuat cikal bakal ramainya industri Mobil sipenemu mesin 4 tak. Pada tahun 1860, Otto mendengar kabar ada ilmuwan jenius yang bernama Leonir, yang mampu membuat mesin pembakar dengan dua dorongan putaran alias 2 tak. Sayangnya mesin 2 tak ini memakai bahan bakar gas. Otto menilai ini kurang praktis. Otto kemudian menciptakan karburator, sayangnya ditolak lembaga paten, karena ada yang mendahului. Namun ia menyempurnakan mesin 2 tak dengan 4 dorongan alias 4 langkah. Hasil ini dipatekan di Jerman pada tahun 1863. Mendapat formula jitu. Lalu ia membuat mesin yang dibiayai oleh Eugene Langen. Konstruksi buatannya mendapatkan medali World Fair di Paris 1867.
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Bakar 4 Langkah
Yang dimaksud dengan motor bakar 4 (empat) langkah adalah bila 1 (satu) kali proses pembakaran terjadi pada setiap 4 (empat) langkah gerakan piston atau 2 (dua) kali putaran poros engkol. Pada dasarnya prinsip kerja pada motor bakar terdiri dari 5 hal yaitu: 1. Pengisian campuran udara dan bahan bakar 2. Pemampatan/pengkompresian campuran udara dan bahan bakar 3. Pembakaran campuran udara dan bahan bakar 4. Pengembangan gas hasil pembakaran 5. Pembuangan gas bekas Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan sering disebut dengan siklus ledakan (explostion cycle) karena secara teoritis proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba.Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus August Otto menggunakan siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.
Gambar 2.1 Diagram P-v siklus otto [5]
Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus otto [5]
Katup masuk dan katup buang terbuka tepat ketika pada waktu piston berada pada TMA dan TMB, maka siklus motor 4 (empat) langkah dapat diterangkan sebagai berikut:
a. Langkah Hisap Piston bergerak dari TMA ke TMB. Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar diisap ke dalam silinder. Katup isap terbuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu piston bergerak ke bawah, menyebabkan ruang silinder menjadi vakum, masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder disebabkan adanya tekanan udara luar (atmospheric pressure).
b. Langkah Kompresi Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan/dimampatkan. Katup isap dan katup buang tertutup. Waktu torak mulai naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA) campuran udara dan bahan bakar yang diisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya menjadi naik, sehingga akan mudah terbakar.
c. Langkah Usaha Akibat adanya pembakaran maka pada ruang bakar terjadi panas dan pemuaian yang tiba-tiba. Pemuaian tersebut mendorong piston untuk
bergerak dari TMA ke TMB. Kedua katup masih dalam keadaan tertutup rapat sehingga seluruh tenaga panas mendorong piston untuk bergerak.
d. Langkah Buang Piston bergerak dari TMB ke TMA. Dalam langkah ini, gas yang terbakar dibuang dari dalam silinder. Katup buang terbuka, piston bergerak dari TMB ke TMA mendorong gas bekas pembakaran ke luar dari silinder.Ketika torak mencapai TMA, akan mulai bergerak lagi untuk persiapan berikutnya, yaitu langkah isap
Gambar 2.3 Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah [17]
2.1.2 Parameter Prestasi Motor Bakar 4 Langkah Secara praktis prestasi mesin ditunjukan oleh torsi dan daya. Parameter inirelatif penting untuk mesin dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan. Daya poros maksimum menggambarkan sebagai kemampuanmaksimum mesin. Torsi poros maksimum pada kecepatan tertentumengindikasikan kemampuan untuk rnemperoleh aliran udara (atau campuranudara dengan bahan bakar) yang tinggi yang masuk ke dalam mesin padakecepatan tersebut. Sewaktu mesin dioperasikan pada waktu yang lama konsumsi bahan bakar dan efisiensi mesin menjadi sangat penting. Daya berbanding lurus dengan luas piston sedang torsi berbanding lurus dengan volume langkah. Parameter tersebut relatif penting digunakan pada mesin yang berkemampuan kerja dengan variasi kecepatan operasi dan tingkat pembebanan. Daya maksimum didefinisikan sebagai kemampuan
maksimum yang bisa dihasilkan oleh suatu mesin. Adapun torsi poros pada kecepatan tertentu mengindikasikan kemampuan untuk memperoleh aliran udara (dan juga bahan bakar) yang tinggi kedalam mesin pada kecepatan tersebut. Parameter prestasi mesin dapat dilihat dari berbagai hal diantara yang terdapat dalam gambar 2.4 berikut :
Gambar 2.4 Diagram Alir Prestasi Mesin [1]
2.1.3 Performansi Mesin Otto Ada beberapa hal yang mempengaruhi performansi motor bakar, antara lain besarnya perbandingan kompresi, tingkat homogenitas campuran bahan bakar dengan udara, angka oktan bensin sebagai bahan bakar, tekanan udara masuk ruang bakar. Semakin besar perbandingan udara motor akan semakin efisien, akan tetapi semakin besar perbandingan kompresi akan menimbulkan knocking pada motor yang berpotensi menurunkan daya motor, bahkan bias menimbulkan kerusakan serius pada komponen motor. Untuk mengatasi hal ini maka harus dipergunakan bahan bakar yang memiliki angka oktan tinggi. Angka oktan pada bahan bakar motor Otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara bahan bakar sebelum waktunya (self ignition) yang menimbulkan knocking tadi.Untuk memperbaiki kualitas campuran bahan bakar dengan udara maka
aliran udara dibuat turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas campuran akan lebih baik.
1. Torsi Torsi adalah ukuran kemampuan mesin untuk melakukan kerja, jadi torsi adalah suatu energi. Besaran torsi adalah besaran turunan yang biasa digunakan untuk menghitung energi yang dihasilkan dari benda yang berputar pada porosnya.. 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. PB =
...................................................................(2.1) [Lit. 3 hal.
46] ...........................................................................(2.2)[Lit. 3 hal. 46]
T= Dimana :
PB = Daya ( W ) T = Torsi ( Nm ) N = Putaran mesin (rpm)
2. Daya Power yang dihitung dengan satuan Kw (Kilo watts) atau Horse Power (HP) mempunyai hubungan erat dengan torque. Power dirumuskan sebagai berikut : PB =
...................................................................(2.3)[Lit. 3 hal. 46]
Dimana : P = Daya (Watt) N = putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)
Pada motor bakar, daya dihasilkan dari proses pembakaran didalam silinder dan biasanya disebut dengan daya indiaktor. Daya tersebut dikenakan pada torak yang bekerja bolak balik didalam silinder mesin. Jadi didalam silinder mesin, terjadi perubahan energi dari energi kimia bahan bakar dengan proses pembakaran menjadi energi mekanik pada torak. Daya indikator adalah merupakan sumber tenaga persatuan waktu operasi mesin untuk mengatasi semua beban mesin. Mesin selama bekerja mempunyai komponen-komponen
yang
saling
berkaitan
satu
dengan
lainnya
membentuk kesatuan yang kompak
3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (specific fuel consumption, sfc) Konsumsi bahan bakar spesifik adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu. Bila daya rem dalam satuan kW dan laju aliran massa bahan bakar dalam satuan kg/jam, maka : ..............................................................(2.4)[Lit. 11 hal. 56]
SFC =
ṁf=
x 3600........................................(2.5)[Lit. 11 hal. 56]
Dengan : SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) PB = daya (W) = konsumsi bahan bakar sgf = spesifik grafity t = waktu (jam)
4. Effisiensi Thermal Brake Daya aktual yang dihasilkan oleh mesin selalu lebih kecil daripada energi yang seharusnya dihasilkan. Hal ini terjadi dikarenakan oleh adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Semakin tinggi daya aktual yang
dihasilkan oleh mesin, maka efisiensi pun akan semakin tinggi. Efisiensi inilah yang sering disebut dengan efisiensi thermal brake (brake thermal efficiency 𝜂𝜂𝑏𝑏).
ηb =
x 3600.........................................................(2.6) [Lit. 3 hal. 59]
2.1.4 Teori Pembakaran Pembakaran merupakan proses reaksi kimia, yaitu elemen tertentu dari bahan bakar setelah dinyalakan dan digabung dengan oksigen akan menimbulkan panas sehingga menaikkan suhu dan tekanan. Elemen yang dapat terbakar atau (combustable) yang utama adalah karbon (C) dan hidrogen (H), elemen yang lain namun umumnya hanya sedikit terkandung dalam bahan bakar adalah sulfur (S). Oksigen yang diperlukan untuk pembakaran diperoleh dari udara bebas yang merupakan campuran dari oksigen dan nitrogen. Nitrogen atau zat lemas adalah unsur kimia yang biasanya ditemukan sebagai gas tanpa warna, tanpa bau, tanpa rasa dan merupakan gas diatomic bukan logam yang stabil, sangat sulit bereaksi dengan unsure atau senyawa lainnya. Dinamakan zat lemas karena zat ini bersifat malas, tidak aktif bereaksi dengan unsure lainnya dan tidak berpartisipasi dalam pembakaran. Selama proses pembakaran, butiran minyak bahan bakar dipisahkan menjadi elemen komponennya yaitu hydrogen dan karbon dan masing-masing bergabung dengan oksigen dari udara secara terpisah. Hidrogen bergabung dengan oksigen untuk membentuk air dan karbon bergabung dengan oksigen menjadi karbondioksida. Jika oksigen yang tersedia tidak cukup, maka sebagian dari karbon akan bergabung dengan oksigen dalam bentuk karbon monoksida. Pembentukan karbon monoksida hanya menghasilkan 30 % panas dibandingkan panas yang timbul oleh pembentukan karbondioksida.
2.1.5 Nilai Kalor Bahan Bakar
Panas dihasilkan oleh reaksi kimia antara oksigen dengan bahan bakar di ruang bakar. 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), yaitu Nilai Pembakaran bila di dalam gas hasil pembakaran terdapat H2O berbentuk cairan atau pun merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan
calorimeter
dimana
hasil
pembakaran
bahan
bakar
didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hydrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong: HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400S....................(2.7) [Lit. 11 hal. 56] 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
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2).....................................(2.8) [Lit. 11 hal. 56] Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg) M
= Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
2.1.6 Rasio Udara-Bahan Bakar 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:
AFR =
ma = Dimana:
..........................................................(2.9)[Lit. 11 hal. 56]
...........................................................(2.10)[Lit. 11 hal. 56] massa udara di dalam silinder per siklus 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
2.2 Bahan Bakar Hidrokarbon Bahan bakar adalah suatu materi yang bisa terbakar dan bisa diubah menjadi energi. Bahan bakar hidrokarbon adalah bahan bakar yang didominasi oleh susunan unsur Hidrogen dan Karbon. Pada proses pembakaran terbuka, umumnya bahan bakar yang digunakan tersususun dari bahan hidrokarbon seperti solar dan kerosin yang di peroleh dari hasil proses penyulingan minyak bumi atau minyak mentah ( Gambar 2.5 ).
Gambar 2.5 Penyulingan Minyak [1]
2.2.1 Bahan Bakar Bensin Bensin merupakan bahan bakar yang digunakan pada mesin otto 2 langkah dan 4 langkah. Bensin (premium, super) merupakan bahan bakar cair yang digunakan oleh kebanyakan motor-motor bensin. Bensin adalah bahan bakar cair yang mudah menguap, pada suhu 60 derajat celcius kurang lebih 35-60% sudah menguap dan akan menguap 100% kira-kira pada suhu diatas 100 derajat celcius. Premium adalah bahan bakar minyak jenis distilat berwarna kekuningan yang jernih dan mempunyai nilai oktan 88. Bensin premium mempuyai sifat anti ketukan yang baik dan dapat dipakai pada mesin dengan batas kompresi hingga 9,0 : 1 pada semua jenis kondisi, namun tidak baik jika digunakan pada motor bensin dengan kompresi tinggi karena dapat menyebabkan knocking. Bensin premium produk Pertamina memiliki kandungan maksimum sulfur (S) 0,05%, timbal (Pb) 0,013% (jenis tanpa timbal) dan Pb 0,3% (jenis dengan timbal), oksigen (O) 2,72%, pewarna 0,13 gr/100 l, tekanan uap 62 kPa, titik didih 215 ºC, serta massa jenis (suhu 15ºC). [23]
2.3 Bahan Bakar Gas
Bahan Bakar Gas merupakan Bahan bakar hidrokarbon dengan fase gas yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Bahan bakar gas dapat dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas buatan (manufactured gas). Gas alam umumnya berada di tempat yang sama dengan endapan minyak dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah metana,
karbondioksida,
dan
hidrogen
dalam
jumlah
yang
bervariasi.
Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas tersebut. Berdasarkan sumbernya bahan bakar gas dapat dibagi 2 yaitu : Bahan bakar yang secara alami didapat kandari alam: - Gas alam - Metan dari penambangan batubara Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat - Gas yang terbentuk dari batubara - Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa - Dari proses industri lainnya (gas blast furnace) Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dengan kandungan methana 55-65 %.
2.3.1 Sejarah Biogas Gas methan (biogas) ini sudah lama digunakan oleh warga Mesir, China, dan Roma kuno untuk dibakar dan digunakan sebagai penghasil panas. Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas
tersebar
terhadap gas yang
dibenua Eropa. Penemuan ilmuan Alessandro Volta dikeluarkan dirawa-rawa terjadi pada tahun 1770,
beberapa decade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas Methana. Setelah tahun 1875 dipastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digestion. Tahun 1884
Pateour melakukan
penelitian tantang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian
Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Alat pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900 [24]
2.3.2 Definisi Biogas Biogas merupakan gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan-bahan organik termasuk diantaranya; kotoran manusia
dan
hewan,
limbah
domestik
(rumah
tangga),
sampah
biodegradable atau setiap limbah organik yang biodegradable dalam kondisi anaerobik. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2). Biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif yang berasal dari sumber energi terbarukan. . Saat ini pemanfaatan Biogas yaitu digunakan sebagai bahan bakar altrenatif pengganti bahan bakar fosil, salah satunya Biogas digunakan sebagai pengganti LPG untuk kompor gas rumah tangga, selain itu Biogas juga digunakan sebagai bahan bakar untuk mengoperasikan generator listrik [12]
2.3.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas Kandungan komposisi biogas dapat berbeda-beda tergantung dari bahan pembuatnya. Kandungan utama dari biogas adalah gas metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) kandungan gas lainnya ialah karbon monoksida (CO), nitrogen (N), hidrogen sulfide (H2S), oksigen (O2), hidrogen (H2), dan ammonia (NH3). Sifat fisik dan kimiawi biogas dipengaruhi oleh bahan baku pembuat biogas tersebut dan nilainya berbeda-beda akan tetapi tidak terlalu jauh. Secara umum komposisi kandungan biogas ditunjukan pada table 2.1. Tabel 2.1 Komposisi kandungan biogas
Sumber : Biogas Composistion and qualities[13]
Biogas memiliki beberapa sifat fisik secara umum yaitu : Tabel 2.2 Sifat fisik biogas [21] Sifat Fisik
Keterangan
Titik Bakar
650-750 0C
Specific Gravity
0,55
Desnsitas
1,2 kg/m3
RON
130
Nilai Kalor
17 - 30 MJ/kg
Laju Nyala
0,25 m/s
Adapun sifat kimiawi dari biogas secara umum adalah : 1. Biogas mudah terbakar bila bercampur dengan oksigen flash point -188 0C.
2. Biogas sulit untuk disimpan dalam tabung praktis karena biogas dapat berubah fase menjadi cair pada suhu -1780C. 3. Biogas tidak menghasilkan karbon monoksida bila dibakar sehingga aman untuk penggunakan rumah tangga. 4. Biogas tidak memiliki warna dan tidak berbau.
2.3.4 Nilai Kalor Biogas Dengan menggunakan rumus pembakaran, berat dari uap air yang dihasilkan dapat dihitung. CH4 + O2 >>> CO2 + 2H2O 16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032 36.032/16.042 = 2.246 lb H2O/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 or 994.7 Btu/ft3* LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft3* * At 68 °F and 14.7 psia. Berikut ini adalah sifat-sifat biogas tiap %CH4 yang dikandungnya :
Tabel 2.3 Nilai LHV biogas tiap % CH4 yang dikandungnya [9] Biogas Kering (CH4 dan CO2) pada 32 F & 1 atm % Densitas %Volume g mol Berat ft3/lb 3 CH 4 wt lbs d.g/ft CH4 d.g 40 42 44 46 48 50 52 54 56
32,8 32,3 31,7 31,1 30,6 30,0 29,5 28,9 28,4
19,60 20,90 22,30 23,70 25,20 26,70 28,30 30,00 31,70
0,09160 0,09000 0,08850 0,08690 0,08540 0,08380 0,08220 0,08070 0,07910
10,920 11,110 11,300 11,500 11,710 11,930 12,160 12,390 12,640
LHV Btu/ft3 385 405 424 443 463 482 501 520 540
58 60 62 64 66 68 70
27,8 33,50 0,07760 12,890 27,2 35,40 0,07600 13,160 26,7 37,30 0,07440 13,430 26,1 39,30 0,07290 13,720 25,6 41,40 0,07130 14,020 25,0 43,70 0,06980 14,340 24,4 46,00 0,06820 14,660 Sumber : David Ludington, 2006
559 578 598 617 636 655 675
2.3.5 Pemurnian Biogas (Purifikasi biogas) Pemurnian (purifikasi) biogas adalah cara untuk meningkatkan nilai kalor dari biogas. Pemurnian biogas dilakukan untuk menghilangkan gas CO2, H2O dan H2S yang terkandung dalam biogas,seiring dengan hilangnya gas gas tersebut maka kandungan gas methana dalam biogas akan meningkat yaitu sekitar 70-95%. Dengan pemurnian biogas, maka biogas akan semakin baik digunakan untuk pembakaran. Menurut Ryckebosch (2011) pemurnian biogas dapat dilakukan melalui dua langkah utama yaitu menghilangkan trace components seperti hidrogen sulfida dan uap air yang menyebabkan korosi dan menghilangkan gas karbon dioksida untuk meningkatkan nilai kalor. Proses pemurnian biogas dapat dilakukan dengan berbagai metode pemurnian diantaranya menggunakan water scrubbing, penyerapan kimia menggunakan MEA dan DEA pressure swing adsorption dan cryogenic separation.
Gambar 2.6 Proses pemurnian biogas [15]
2.3.6 Proses Pembuatan Biogas Pada dasarnya pembuatan biogas sangat sederhana, yaitu hanya dengan memasukkan substrat seperti kotoran ternak, limbah pertanian, limbah rumah tangga ke dalam digester yang anaerob yang kemudian akan menghasilkan biogas dan dapat disimpan di dalam tangki penyimpanan kemudian dapat digunakan. Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas) untuk menghasilkan gas yang sebagian besar adalah berupa gas metan (yang memiliki sifat mudah terbakar) dan karbon dioksida, gas inilah yang disebut biogas. Proses dekomposisi
anaerobik
dibantu
oleh
sejumlah
mikroorganisme,
terutamabakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 3055oC, dimana pada suhu tersebut mikro organisme mampu merombak bahan bahan organik secara optimal.
Berikut ini skema proses pembuatan biogas pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Proses pembuatan biogas sederhana [12] Proses pembuatan biogas dalam perkembangan saat ini dibagi menjadi 3 jenis yaitu : 1. Fixed Dome Plant
Pada fixed dome plant, digesternya tetap. Penampung gas ada pada bagian atas digester. Ketika gas mulai timbul, gas tersebut menekan slurry ke bak slurry. Jika pasokan kotoran ternak terus menerus, gas yang timbul akan terus menekan slurry hingga meluap keluar dari bak slurry. Gas yang timbul digunakan/dikeluarkan lewat pipa gas yang diberi katup/kran. 2. Floating Drum Plant Floating drum plant terdiri dari satu digester dan penampung gas yang bisa bergerak. Penampung gas ini akan bergerak keatas ketika gas bertambah dan turun lagi ketika gas berkurang, seiring dengan penggunaan dan produksi gasnya. 3. Jenis Balon Reaktor balon merupakan jenis reaktor yang banyak digunakan pada skala rumah tangga yang menggunakan bahan plastik sehingga lebih efisien dalam penanganan dan perubahan tempat biogas. reaktor ini terdiri dari satu bagian yang berfungsi sebagai digester dan penyimpan gas masing masing bercampur dalam satu ruangan tanpa sekat. Material organik terletak dibagian bawah karena memiliki berat yang lebih besar dibandingkan gas yang akan mengisi pada rongga atas.
2.3.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas Biogas memiliki beberapa kelebihan dan keuntungan dibandingkan dengan bahan bakar gas lainnya seperti LPG dan CNG. Berikut ini adalah beberapa kelebihan dan kekurangan biogas : •
Kelebihan : 1. Energi yang terbaharukan dan tidak membutuhkan material yang masih di gunakan sehingga tidak mengganggu keseimbangan karbon dioksida. 2. Energi yang dihasilkan biogas dapat menggantikan bahan bakar fosil (nilai kalor tinggi). 3. Ramah lingkungan. 4. Harga biogas murah.
5. Emisi gas buang yang rendah. 6. Menghasilkan pupuk organic yang berkulitas tinggi. •
Kekurangan : 1. Memerlukan biaya instalasi yang cukup besar. 2. Belum dapat dikemas dalam bentuk cair dalam tabung. 3. Belum dikenal masyarakat luas.
2.4 Emisi Gas Buang Emisi gas buang adalah sisa hasil pembakaran bahan bakar di dalam mesin pembakaran dalam, mesin pembakaran luar, mesin jet yang dikeluarkan melalui sistem pembuanganmesin. Untuk mesin Diesel emisi gas buang yang dilihat adalah opasitas (ketebalan asap), kandungan HC dan CO. Adapun Standart emisi gas buang berdasarkan peraturan menteri negara lingkungan hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang.
2.4.1. Sumber Polutan dibedakan menjadi polutan primer atau sekunder.Polutan primer seperti nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) langsung dibuangkan ke udara bebas dan mempertahankan bentuknya seperti pada saat pembuangan. Polutan sekunder seperti ozon (O3) dan peroksiasetil nitrat (PAN) adalah polutan yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi fotokimia, hidrolisis atau oksidasi.
2.4.2 Komposisi Kimia Polutan dibedakan menjadi organik dan inorganik. Polutan organik mengandung karbon dan hidrogen, juga beberapa elemen seperti oksigen, nitrogen, sulfur atau fosfor, contohnya : hidrokarbon, keton, alkohol, ester dan lain-lain. Polutan inorganik seperti : karbon monoksida (CO), karbonat, nitrogen oksida, ozon dan lainnya.
2.4.3. Bahan Penyusun Polutan dibedakan menjadi partikulat atau gas. Partikulat dibagi menjadi padatan dan cairan seperti : debu, asap, abu, kabut dan spray, partikulat dapat bertahan di atmosfer. Sedangkan polutan berupa gas tidak bertahan di atmosfer dan bercampur dengan udara bebas.
a.) Partikulat Polutan partikulat yang berasal dari kendaraan bermotor umumnya merupakan fasa padat yang terdispersi dalam udara dan membentuk asap. Fasa padatan tersebut berasal dari pembakaran tak sempurna bahan bakar dengan udara, sehingga terjadi tingkat ketebalan asap yang tinggi. Selain itu partikulat juga mengandung timbal yang merupakan bahan aditif untuk meningkatkan kinerja pembakaran bahan bakar pada mesin kendaraan. Apabila butir-butir bahan bakar yang terjadi pada penyemprotan kedalam silinder motor terlalu besar atau apabila butir–butir berkumpul menjadi satu, maka akan terjadi dekomposisi yang menyebabkan terbentuknya karbon–karbon padat atau angus. Hal ini disebabkan karena pemanasan udara yang bertemperatur tinggi, tetapi penguapan dan pencampuran bahan bakar dengan udara yang ada di dalam silinder tidak dapat berlangsung sempurna, terutama pada saat– saat dimana terlalu banyak bahan bakar disemprotkan yaitu pada waktu daya motor akan diperbesar, misalnya untuk akselerasi, maka terjadinya angus itu tidak dapat dihindarkan. Jika angus yang terjadi itu terlalu banyak, maka gas buang yang keluar dari gas buang motor akan bewarna hitam.
b.) Unburned Hidrocarbon (UHC) Hidrokarbon yang tidak terbakar dapat terbentuk tidak hanya karena campuran udara bahan bakar yang gemuk, tetapi bisa saja pada campuran kurus bila suhu pembakarannya rendah dan lambat serta bagian dari dinding ruang pembakarannya yang dingin dan agak besar.
Motor memancarkan banyak hidrokarbon kalau baru saja dihidupkan atau berputar bebas (idle) atau waktu pemanasan. Pemanasan dari udara yang masuk dengan menggunakan gas buang meningkatkan penguapan dari bahan bakar dan mencegah pemancaran hidrokarbon. Jumlah hidrokarbon tertentu selalu ada dalam penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar dan dari kebocoran gas yang melalui celah antara silinder dari torak masuk kedalam poros engkol, yang disebut dengan blow by gasses (gas lalu).Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon. Hal ini pada motor diesel terutama disebabkan oleh campuran lokal udara bahan bakar tidak dapat mencapai batas mampu bakar.
c.) Karbon Monoksida (CO) Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bahan bakar (kira– kira 85 % dari berat dan sisanya hidrogen) terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi bila campuran udara bahan bakar lebih gemuk dari pada campuran stoikiometris, dan terjadi selama idling pada beban rendah atau pada output maksimum. Karbon monoksida tidak dapat dihilangkan jika campuran udara bahan bakar gemuk. Bila campuran kurus karbon monoksida tidak terbentuk.
d.) Oksigen (O2) Oksigen (O2) sangat berperan dalam proses pembakaran, dimana oksigen tersebut akan diinjeksikan ke ruang bakar. Dengan tekanan yang sesuai akan mengakibatkan terjadinya pembakaran bahan bakar. Nitrogen monoksida (NO) merupakan gas yang tidak berwarna dan
tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida (NO2) berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. NO merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. NO terjadi karena adanya reaksi antara N2 dan O2 pada temperature tinggi di atas 1210oC. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut: O2
2O
N2+O
NO+N
N+O2
NO+O
2.5 Turbocharger Turbocharger mesin pertama dunia yang bisa digunakan dan diuji diciptakan oleh Dugald Clerk, dimana dia menggunakannya pertama kali pada mesin 2-tak pada tahun 1878.Sebuah turbocharger memampatkan asupan udara untuk tekanan atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin. Daya dihasilkan ketika campuran udara dan bahan bakar dibakar di dalam sebuah silinder mesin. Jika udara dipaksa lebih banyak ke dalam silinder, maka bahan bakar lebih dapat dibakar dan kekuasaan yang lebih diproduksi dengan stroke masing-masing. Sebuah supercharger memampatkan asupan udara untuk tekanan atmosfer di atas yang meningkatkan densitas saluran udara masuk ke mesin. Mesin beroperasi dengan udara terkompresi pada tekanan atmosfer, yaitu 1 bar. Ketika katup intake silinder terbuka, tekanan atmosfer mendorong udara ke dalam silinder ketika piston diturunkan. Ketika katup buang terbuka, piston mendorong gas buang keluar ke dalam sistem knalpot, lagi pada tekanan atmosfer normal. Karena baik asupan dan knalpot ujung sistem ini adalah pada tekanan udara yang sama, tidak ada aliran alami udara melalui sistem. Pada mesin tersebut, timing katup, timing camshaft & knalpot ukuran sangat penting untuk mendapatkan output daya maksimum. Dalam sistem supercharger, ada laju aliran massa udara yang lebih besar, yaitu kerapatan yang lebih tinggi dan kecepatan aliran udara. Tekanan udara meningkat dalam perjalanan ke mesin, daya lebih dihasilkan oleh pembakaran, dan gas buang keluar jauh lebih cepat, membuat timing dan knalpot ukuran
kurang penting. Meskipun beberapa dari kekuatan tambahan dihasilkan harus digunakan untuk menggerakkan pompa konpresor, hasil bersih lebih total daya dari sistem. Supercharger membutuhkan sumber putaran untuk menggerakan komponennya, sumber putarannya biasanya diambil dari tenaga mesin. Prinsip kerjanya yaitu terdapat turbin di dalam supercharger yang berputar sesuai dengan putaran yang disalurkan dari mesin, kemudian putaran ini akan mengkompresikan udara yang dihisap dari poros turbin kemudian mengalir mengikuti bentuk daripada supercharger (rumah keong) kemudian keluar dan masuk menuju ke saluran intake daripada mesin dan menekan udara dan bahan bakar masuk ke dalam ruang bakar. Keunggulan dari supercharger ini adalah efeknya lebih spontan, dari putaran rendah sudah terjadi kenaikkan tenaga (Arismunandar, Wiranto.1988).
Gambar 2.8 Turbocharger [22]
2.6 Turbocharger Elektrik Mengantisipasi regulasi yang harus dijalankan negara-negara dunia pada 2012, yaitu tentang emisi gas buang yang makin ketat. Di samping itu, juga memenuhi keinginan konsumen secara umum di seluruh dunia, yaitu kendaraan yang irit konsumsi bahan bakar, sekaligus ramah lingkungan. Caranya, dengan menawarkan supercharger listrik (electric supercharger). Tujuannya, agar mesin bekerja makin efisien. Supercharger atau turbocharger listrik bukanlah temuan baru. Di Indonesia alat sudah dipasarkan sejak awal 1990an.
Supercharger ini biayanya lebih murah dibandingkan dengan versi mekanis atau yang diputar oleh mesin (drive belt). Pemasangannya pun dinilai lebih gampang karena tak banyak lagi modifikasi. Hebatnya lagi, supercharger ini ditarget untuk mesin yang berkapasitas kecil. Pasalnya, supercharger ini tidak mempengaruhi langsung kinerja mesin. Bisa bekerja pada seluruh kondisi kerja mesin.Di lain hal, supercharger konvensional, untuk memutarnya, dibutuhkan tenaga langsung dari mesin. Tepatnya, untuk memutarnya, turbocharger mengkonsumsi sebagian kecil tenaga yang dihasilkan mesin. Turbocharger yang digerakkan oleh gas buang – energi diperoleh secara gratis – hanya lancar bekerja pada putaran sedang dan tinggi (di atas 2.500 rpm). Pada putaran rendah, dengan tekanan gas buang yang masih lemah, terjadi gejala yang disebut “turbo lag”. Akibatnya, mesin kurang rensposif pada putaran rendah. Dengan supercharger, apalagi digerakkan oleh listrik (mengambil tenaga dari bateri 12 volt), sejak awal mesin bekerja udara tambahan sudah bisa dipasok ke dalam mesin. Dengan ini, tenaga atau torsi bisa diperoleh pada putaran lebih rendah. Hasilnya, selain irit bahan bakar, membuat mesin enak dan nyaman dikendarai di jalanan yang makin macet.
Gambar 2.9 Prinsip kerja Turbocharger [19]
Diharapkan pula, dengan supercharger ini, penggunaan mesin ber-cc lebih kecil makin berkembang. Hal ini tidak hanya menguntungkan pemakai mesin dari konsumsi bahan bakar, harga juga bisa ditekan karena pajaknya lebih murah.
2.7 Catalytic Converter Kendaraan bermotor menggunakan bahan bakar sebagai sumber energi agar dapat bergerak. Energi tersebut diaktifkan dengan cara membakar bahan bakar. Bahan bakar kendaraan mengandung campuran senyawa hidrokarbon (Senyawa yang mengandung unsur karbon dan hidrogen). Ketika dibakar, unsur-unsur tersebut akan menghasilkan gas Nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), dan uap air (H2O) yang dikenal dengan istilah gas buangan. Gas-gas buangan seperti gas nitrogen, karbon dioksida, dan uap air hanya dihasilkan jika pembakaran bahan bakar berlangsung sempurna.Artinya, seluruh senyawa hidrokarbon habis bereaksi, tidak ada yang tersisa.Akan lain halnya jika pembakaran tidak sempurna. Bahan bakar yang tidak terbakar sempurna akan menghasilkan gas karbon monoksida (CO2), hidrokarbon, atau volatile organic compounds (VOCs), dan oksida nitrogen. Upaya lain yang dapat dilakukan yaitu dengan cara mengusap katalitik konverter di kendaraan. Alat ini dapat mengubah oksida nitrogen, CO, dan HC menjadi gas yang tidak berbahaya.Oksida dioksida, sedangkan hidrokarbon yang tidak terbakar diubah menjadi karbon dan uap air
Gambar 2.10 Catalytic Converter [16]
2.7.1 Prinsip Kerja Catalytic Converter Alat katalitik konverter tersusun dari dua katalis, yaitu katalis reduksi atau reduction catalyst dan catalyst oksidasi (oxidization catalyst). Kedua katalis ini dilapisi logam, seperti platinum, rodium, dan paladium.Baik katalis reduksi maupun katalis oksidasi, struktur permukaannya di desain sedemikian rupa untuk memaksimalkan permukaan katalis sekaligus meminimalkan jumlah katalis yang
dipakai.Perlu diketahui, harga katalis logam mahal.Ada dua jenis struktur permukaan, yaitu struktur sarang lebah (honeycomb) dan keramik (ceramic beads). Struktur sarang lebah lebih paling banyak digunakan. Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2 bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2. Selanjutnya, atom nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya sehingga membentuk gas nitrogen (N2). Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksida nitrogen dengan cara mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.Ketika molekul NO atau NO2 bersinggungan dengan katalis logam, permukaan katalis memecah oksida nitrogen menjadi atom nitrogen dan atom oksigen.Atom nitrogen ditahan di permukaan katalis, sedangkan unsur oksigen diubah menjadi molekul O2.Selanjutnya, atom nitrogen yang tertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya sehingga membentuk gas nitrogen (N2). Untuk menjelaskan reaksi-reaksi yang terjadi di dalam katalitik konverter, ahli kimia biasanya menggunakan persamaan reaksi sebagai berikut. Katalis reduksi: NOx –> O2 + N2 Katalis oksidasi : 2CO + O2 –> 2CO2 Seluruh proses tersebut dikendalikan oleh alat yang memonitor arus gas buangan. Informasi yang diperoleh dipakai lagi sebagai kendali sistem injeksi bahan bakar.Sebuah alat sensor oksigen diletakkan diantara mesin dan konventer.Sensor ini memberi informasi ke komputer mesin seberapa banyak oksigen yang ada di saluran gas buangan. Komputer akan mengurangi atau menambah jumlah oksigen sesuai rasio udara bahan bakar. Sistem pengendalian membuat komputer mesin memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikiometri dan memastikan ketersediaan oksigen di dalam saluran buangan untuk proses oksidasi hidrokarbon dan karbon monoksida yang belum terbakar.
