BAB II DASAR TEORI. oleh suatu proses yang disebut pencernaan anaerobik, merupakan gas campuran

Tugas Akhir

Teknik Mesin

BAB II DASAR TEORI 2.1. Bahan Bakar Biogas 2.1.1. Definisi Biogas Biogas adalah suatu jenis gas yang bisa dibakar, yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik bahan-bahan organik seperti kotoran ternak, kotoran manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya dan sebagian besar sampah organik lainnya di dalam suatu ruangan digester (wahyuni, 2011). Biogas dapat dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif karena kandungan metana yang cukup tinggi. Biogas bahan bakar yang tidak menghasilkan asap merupakan suatu pengganti yang unggul untuk menggantikan bahan bakar fosil, gas ini dihasilkan oleh suatu proses yang disebut pencernaan anaerobik, merupakan gas campuran metan (CH4), karbon dioksida (CO2), dan sejumlah kecil nitrogen, amonia, sulfur dioksida, hidrogen sulfida dan hidrogen. Secara alami, gas ini terbentuk pada limbah pembuangan air, tumpukan sampah, dasar danau atau rawa. Mamalia termasuk manusia menghasilkan biogas dalam sistem pencernaannya, bakteri dalam sistem pencernaan menghasilkan biogas untuk proses mencerna selulosa. Biogas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerob digunakan untuk mengolah biodegradable (limbah yang dapat diuraikan secara sempurna dengan bantuan mikroba) untuk mengurangi volume limbah buangan. Metana dalam biogas, bila terbakar akan relatif lebih bersih daripada batubara dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi karbondioksida yang lebih sedikit.

Universitas Mercubuana http://digilib.mercubuana.ac.id/

5

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam manajemen limbah karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya dalam pemanasan global bila dibandingkan dengan karbondioksida. Karbon dalam biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman, sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon di atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil. Biogas terdiri dari campuran metana (50 – 70%), CO2 (25 – 24%), dan sejumlah kecil gas lainnya H2, N2, dan H2S (Hambali, dkk., 2007). Biogas sebagian besar mengandung gas metana (

) dan karbondioksida (

) dan

beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida ( dan ammonia (

) serta hidrogen (

) nitrogen (

S)

) yang kandungannya sangat

kecil. Komposisi biogas dapat dilihat pada table 2.1. Tabel 2.1. Komposisi Biogas Jenis gas Metana ( ) Karbondioksida (

)

Nitrogen (

)

Hidrogen (

)

Karbon Monoksida (CO) Oksigen (

)

Hidrogen Sulfida (

S)

Kotoran sapi 65.7

Sampah 41.5

27-35

33.6

0.5-2.0

2.4

< 1.0

<0.05

0.1

<0.001

0.1

04.1

<1.0

Sedikit sekali

Sumber kotoran sapi : Pusat Informasi PTP-ITB Sumber Sampah : Sudradjat, H.R


6

Tugas Akhir Menurut

Teknik Mesin (Setiawan, 1996), biogas adalah gas yang dihasilkan oleh

aktivitas Bakteri anaerobik atau fermentasi dari bahan – bahan organik termasuk diantaranya kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga). Biogas dapat terjadi pada kondisi alami, namun untuk mempercepat dan menampung gas metan diperlukan alat yang memenuhi syarat terjadinya gas tersebut. Bila dibandingkan dengan sumber dengan sumber energi yang lain maka 1m³ biogas akan setara dengan 0,46 kg elpiji, 0,62 liter minyak tanah, 0,52 liter minyak solar, 0,80 bensindan 3,50 kayu bakar. Maka dapat disimpulkan bahwa biogas adalah campuran gas yang dihasilkan dari proses fermentasi material – material yang dapat terurai secara alami dengan bantuan Bakteri metanogenik sehingga terjadi proses metanisasi pada kondisi anaerobic. 2.1.2. perkembangan Biogas Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di benua eropa. Penemuan Alessandro volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa decade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas metana, setelah tahun 1875 di pastikan bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digester, tahun 1884 Pasteour melakukan penelitian tentang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas saat ini. (Imam Praja, 2009). Indonesia mulai mengadopsi biogas pada awal 1970. Tujuannya untuk memanfaatkan buangan atau sisa lembah yang kurang bermanfaat agar mempunyai nilai guna lebih tinggi (Simamora, dkk, 2007).


7

Tugas Akhir

Teknik Mesin

2.1.3. Pembentukan Biogas Pembentukan biogas terjadi melalui proses fermentasi, proses tersebut pada umumnya merubah bahan organik dengan bantuk mikroorganisme anaerobik menjadi komposisi senyawa

,

,

,

dan

S. proses fermentasi atau

proses pencernaan mengacu berbagai rekasi dan interaksi yang terjadi di antara bakteri metanogen dan non-metanogen dan bahan yang diumpankan kedalam pencerna sebagai input. 2.1.3.1 Bakteri Metanogenik Bakteri metanogenik atau metanogen adalah bakteri yang terdapat pada bahan-bahan organik dan menghasilkan metan serta gas-gas lainnya dengan proses keseluruhan rantai hidupnya dalam keadaan anaerobik. Sebagai organismeorganisme hidup, ada kecenderungan untuk menyukai kondisi tertentu dan peka pada iklim mikro dalam digester. Terdapat banyak spesies dari metanogen dan varisai sifat-sifatnya. Perbedaan bakteri-bakteri pembentuk metan memiliki sifat-sifat fisiologi seperti bakteri pada umumnya. Namun, morfologi selnya heterogen. Beberapa berbentuk batang atau bulat. Sedangkan lainnya termasuk kluster bulat yang disebut sarcine. Famili metanogen (bakteri metana) digolongkan menjadi 4 genus berdasarkan perbedaan-perbedaan sitologi. Bakteri berbentuk batang (a) tidak berspora, metano bakterium (b) berspora, metano bacillus. Bakteri berbentuk lonjong, yaitu (a) sarcine, metano bacillus. Bakteri berbentuk lonjong, yaitu (a) sarcine, metano sarcina (b) tidak termasuk grup sarcinal, metanococcus. Bakteri metanogenik berkembang lambat dan sensitif terhadap perubahan mendadak pada kondisi-kondisi fisik dan kimiawi. Sebagai contoh, penurunan 2ºC


8

Tugas Akhir

Teknik Mesin

secara mendadak pada sludge mungkin secara signifikan berpengaruh pada pertumbuhannya dan laju produksi gas. 2.1.3.2. Proses Fermentasi Ini adalah phisio-kimia yang komplek dan proses biologis melibatkan berbagai faktor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan organik dicapai dalam tiga tahapan, yaitu hidrolisa, acidification, dan methanization. Tahap hidrolisa merupakan penguraian bahan organik kompleks yang mudah larut (karbohidrat, protein dan lemak) menjadi senyawa yang lebih sederhana. Tahap pengasaman (acidification) adalah tahap dimana senyawa sederhana diproses dari tahap hidrolisis menjadi senyawa asam, seperti asam asetat, asam propionate, asam butirat, dan asam laktat dan produk sampingan berupa

alkohol

,

Hydrogen

dan

ammonia.

Tahap

terakhir

adalah

metanogenesis (methanization) yang memproses hasil senyawa asam menjadi metan, karbondioksida, dan air dengan bantuan bakteri metanogen. Komponen hasil tahap metanogenesis merupakan penyusunan dari biogas (Wahyuni, 2011). COOH Asam asetat 2 Etanol

+ metana

karbondioksida

+ karbondioksida

+ Karbondioksida

+ metana

COOH asam asetat +

hidrogen

metana

O air

2.1.3.3. Faktor Yang Berpengaruh Secara jelas, banyak faktor yang memfasilitasi dan menghambat telah memainkan peranan dalam proses. Agar proses dengan cara anaerobik


9

Tugas Akhir berlangsung

Teknik Mesin optimal

makadiperlukan

pengetahuan

tentang

faktor

yang

berpengaruh dalam prodktifitas serta kualitas biogas yang dihasilkan. Beberapa faktor tersebut di jelaskan sebagai berikut. a) Nilai Ph produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran input di dalam digester berada pada kisaran 6 dan 7. Derajat keasaman (pH) dalam digester juga merupakan fungsi waktu di dalam digester tersebut. Pada tahap awal proses fermentasi, asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH dalam digester dapat mencapai 5. Kedaan ini cenderung menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup di bawah pH 6. Kemudian proses

pencernaan berlangsung,

konsentrasi

bertambah

pencernaan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2-8,2. Menurut Sudradjat, H.R. banyak kegagalan anaerobik komposting terjadi karena proses hidrolisa dan acidogenesis yang menghasilkan asam-asam organik yang cukup banyak, sedangkan kemampuan bakteri metanogenik dalam mengkonversi asam organik tersebut sangat lambat sehingga pH menjadi rendah (asam). Rendahnya pH ini menyebabkan bakteri metanogenik menjadi kurang aktif, sedangkan organic acid terus menerus diproduksi dan akhirnya produksi biogas atau anaerobik komposting berakhir sebelum waktunya. b) Suhu Bakteri metanogen dalam keadaan tidak aktif pada kondisi suhu ekstrim tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 35ºC. ketika suhu udara turun sampai


10

Tugas Akhir

Teknik Mesin

10ºC produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat bagus yaitu pada kisaran mesofilik, antara suhu 25ºC dan 30ºC. penggunaan isolasi yang memadai pada digester membantu produksi gas khususnya di daerah dingin. Sedangkan menurut Simamora, dkk (2006) Suhu yang baik untuk fermentasi adalah 30 ºc -55ºc. Pada suhu tersebut mikroganisme dapat bekerja secara optimal merombak bahan-bahan organik. c) Laju pengumpanan Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang dimasukkan ke dalam digester per unit kapasitas per hari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m³ volume digester adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah kotoran sapi. Apabila terjadi akumulasi asam dan produksi metana akan terganggu. Sebaliknya, bila pengumpanan kurang dari kapasitas digester, produksi gas juga menjadi rendah. d) Waktu tinggal dalam digester Waktu tinggal dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input masih berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen. Dalam jaringan dari digester dengan kotoran sapi atau sampah, waktu tinggal dihitung dengan pembagian volume total dari digester oleh volume input yang ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu. Di atas suhu 35ºC atau suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat. e) Toxicity Beberapa material racun yang mempengaruhi pertumbuhan normal bakteri patogen. Tingkatan racun dapat dilihat pada table 2.2.


11

Tugas Akhir

Teknik Mesin Zat Penghambat

Sulfat (

Konsentrasi 5.000 ppm

)

Sodium klorida atau garam (NaCl)

40.000 ppm

Nitrat (dihitung sebagai N)

0,05 mg/l

Tembaga (

100 mg/l

)

Khrom (

200 mg/l

)

Nikel (

200 - 500 mg/l

)

Sodium (

)

3.500 – 5.500 mg/l

Potasium (

)

2.500 – 4.500 mg/l

Kalcium (

2.500 – 4500 mg/l

)

Magnesium( Mangan (

1.000 – 1.500 mg/l

)

>1.500 mg/l

)

Tabel 2.2. Tingkatan racun dari beberapa zat penghambat Sumber : Chengdu Biogas Research Institute, Chengdu, China (1989)

Di dalam digester. Ion mineral dalam jumlah kecil (sodium, potasium, kalsium, amonium dan belerang) juga merangsang pertumbuhan bakteri. Namun, bila ionion ini dalam konsentrasi yang tinggi akan berakibat meracuni. Sebagai contoh, pada konsentrasi 50 hingga 200 mg/l, dapat merangsang pertumbuhan mikroba. Namun, bila konsentrasinya diatas 1.500 mg/l, akan mengakibatkan keracunan. f) sludge Sludge adalah limbah keluaran berupa lumpur dari lubang pengeluaran digester setelah mengalami proses fermentasi oleh bakteri metana dalam kondisi


12

Tugas Akhir

Teknik Mesin

anaerobik. Setelah ekstraksi biogas (energi), sludge dari digester sebagai produk samping dari sistem pencernaan secara anaerobik. Kondisi ini, dapat dikatakan manur dalam keadaan stabil dan bebas patogen serta dapat dipergunakan untuk memperbaiki kesuburan tanah dan meningkatkan produksi tanaman. 2.1.3.4. Jenis Proses Menurut Sudradjat, H.R (2006) ada 3 jenis proses yang dikenal pada proses anaerobik komposting, yaitu proses konvensional (conventional digestion), proses 2 tahap (two-phase digestion), dan proses kering (dry digestion). a) proses konvensional proses konvensional pernah dibuat sekitar era 80-an di Indonesia, tetapi tidak berkembang. Proses ini sangat sederhana yaitu suatu reaktor (digester) tertutup, diisi dengan kotoran sapi yang masih baru ke lubang inlet (pemasukan) yang dicampur dengan air dengan perbandingan 2 : 1 (1 kotoran : 2 air). Pengisian awal dilakukan sampai batas optimal lubang pengeluaran atau kotoran diisi 60% dari kapasitas volume digester biogas. suhu reaktor biasanya adalah mesofilik (35ºC). Larutan tersebut dibiarkan selama 12-20 hari. Tujuannya agar terjadi fermentasi bahan organik oleh mikroorganisme dalam kondisi anaerob. Hasil dari fermentasi akan terlihat pada hari ke-14 dan biasanya biogas sudah terkumpul pada bagian atas digester. Gas pertama yang terbentuk jangan di bakar karena masih banyak campuran gas dan udara, sebaiknya gas tersebut dikeluarkan dengan cara membuka kran yang sebelumnya sudah terpasang pada bagian atas digester. Agar biogas dalam digester tersedia setiap saat maka setiap hari sebelum digunakan sebaiknya memasukkan kotoran sapi yang dicampur air ke dalam digester biogas. Namun, hal ini tergantung dari pemeliharaan dan cuaca. Dan


13

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Untuk mendeteksi adanya biogas, dapat dilihat dari alat kontrol gas yang terpasang. Untuk memudahkan dalam distribusi, biogas dapat di masukkan ke dalam kantong penampung (Biogas storage) Gas akan diproduksi terus menerus. Setiap pengisian bahan organik yang baru akan selalu diikuti pengeluaran bahan sisa (sludge). Skema digester dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 skema digester untuk biogas dari kotoran sapi Sumber : PT. SWEN IT Produksi biogas terbesar yang pernah dicapai di luar negeri adalah 0,430,53 m³/kg VS atau 1,3-1,6m³

/m³r.d. Kelemahan dari cara ini adalah produksi

biogas yang rendah dan sering terjadi scum atau lapisan padat di permukaan larutan yang menghambat pengeluaran gas. Namun demikian, proses ini masih dipakai di beberapa negara eropa untuk mengelola sampah kota dan limbah cair industri dan proses ini juga yang digunakan untuk menghasilkan biogas dari kotoran sapi. b) proses 2 tahap proses 2 tahap membagi proses anaerobik menjadi 2 tahapan kegiatan yang dilakukan pada reaktor terpisah. Tahap pertama adalah pelarutan (liquefaction) atau gabungan dari proses hidrolisis, asidogenesis, dan asetogenesi. Tahap kedua adalah gasifikasi (gasification) atau proses metanogenesis. Tahap ini


14

Tugas Akhir

Teknik Mesin

mempertimbangkan sering terjadinya kegagalan proses anaerobik karena kondisi yang diperlukan untuk proses hidrolisis, asidogenesis, dan asetogenesis sangat berbeda dengan proses metanogenesis. Dengan cara ini HRT (hidrolic retention time) pada reaktor 1 hanya memerlukan 3 hari dan reaktor 2 hanya 5 hari atau waktunya berkurang 50-100% dari cara konvensional. Tahap awal dari proses ini adalah memberikan perlakuan pendahuluan pada substrat (15% TS), yaitu pemanasan sampai suhu 60ºC selama 3 jam dengan kondisi PH 9,8, kemudian didiamkan selama 1 hari. Proses tahap pertama, proses pelarutan dilakukan pada reaktor 1 (asidifikasi) dengan kondisi suhu 60ºC dan PH 6,0 selama 2 hari. Selanjutnya, larutan dimasukkan pada reaktor 2 (gasifikasi) 1,5 m³ dengan kandungan VS 8-16%, loading raet 9,4 kg VS/m³r.d menghasilkan 3,2 m³

/m³ r.d atau 2 kali lipat dari cara konvensional. Sebelum jadi kompos,

bahan padat yang tersisa dari proses ini harus dipres terlebih dahulu, kemudian dikeringkan. Kelemahan dari proses ini adalah investasi dan biaya operasionalnya cukup tinggi. c) proses kering Proses kering maksudnya adalah proses anaerobik yang terjadi pada substrat yang konsentrasi TS-nya lebih tinggi dari 20%. Produksi biogas di landfill terjadi pada sampah kota bagian bawah dengan kadar TS 40-70%. Eksplorasi biogas dari landfill pertama kali dilakukan di Palos Verde California tahun 1974 yaitu sebesar 35.000 m³

yang didistribusikan ke pelanggan.

Teknologi ini kemudian diadopsi oleh swiss dan jerman. Biogas landfill umumnya produktifitasnya sekitar 200 liter per kg TS sampah, tetapi yang bisa didaur ulang hanya sekitar 20-25% atau sekitar 40-50 liter.


15

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Teknologi landfill yang dikenal umum adalah sampah dimasukkan ke dalam lubang, lalu bagian atas sampah ditimbun tanah. Selanjutnya, bagian atas timbunan tanah tersebut ditimbun lagi dengan sampah dan ditutup lagi oleh tanah dan seterusnya. Biogas yang dihasilkan oleh area landfill di bawah tanah akan bisa berproduksi sampai 20 tahun bila volume cukup besar. Agar lebih jelasnya teknologi landfill dengan teknologi aerobic composting dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Modifikasi teknologi landfill dengan teknologi aerobik komposting Sumber : Sudradjat, H.R., 2006. Mengelola sampah kota. Depok: penebar swadaya Suatu contoh di landfill “Am Lamber” Jerman memiliki area 16 ha. Kedalamannya 40 m dan kapasitas penampungan sampah sebanyak 3,4 juta m³ dan baru diisi 2/3-nya. Biogas dikeluarkan melalui pipa-pipa vertikal dan menghasilkan 1.200 m³ biogas per jam (50%

), kemudian dikeluarkan

menjadi tenaga listrik melalui 2 buah generator berkapasitas masing-masing 144kW. Produktifitas biogas adalah 12 liter/m³ r.d. Kasus yang sama juga ada di Pforzheim landfill (Swiss) yang dibangun 1981. Luas areal 10 ha dengan daya tampung 3 juta m³ sampah dapat menghasilkan tenaga listrik dari 4 buah generator berkapasitas total 260 kW.


16

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Kesulitan dalam menerapkan teknologi landfill adalah keharusan membuat lubang yang dalam nya 13 – 14 m. Padahal,seringkali sumber air sudah diperoleh pada kedalaman yang sangat dangkal (<10m) di lahan Indonesia. Selain itu, cara pembuatan landfill yang sembarangan dapat menimbulkan efek yang sangat berbahaya (ledakan). Penyebab nya adalah Biogas dapat menyelinap di antara rongga tanah, berakumulasi, dan susah di deteksi karena tidak berbau. Proses kering juga dapat dilaksanakan di dalam rekator di antaranya dikenal dengan nama proses Dranco atau Dry Anaerobik Conversion Prosess. Proses ini dikembangkan oleh Prof. Willy Verstraete dari Rijksuniversiteit Gent di Belgia (1985). Proses Dranco memiliki kelebihan dibandingkan dengan proses anaerobik lainnya karena tingginya produktivitas biogas dan kompos yang bebas dari hama penyakit. Sampah organik dimasukan ke dalam reaktor dan di fermentasi selama 21 hari. Setelah hari ke-21, kompos di keluarkan mengunakan screw feeder dalam jumlah yang sama banyak nya dengan sampah segar yang akan di masukan ke dalam reaktor. Bahan baku kemudian di masukan setiap hari dengan cara mencampur nya dengan bahan baku yang sudah ada di dalam reaktor menggunakan screw feeder. Campuran tersebut di masukan mengunakan pompa melalui bagian atas reaktor. Demikian seterus nya setiap hari di lakukan pengambilan kompos serta pemasukan sampah baru. Biogas yang terjadi setelah hari ke-21 berangsur-angsur terus meningkat volume nya sampai mencapai kapasitas maxsimum, kemudian stabil. Proses kering ini dipakai untuk menghasilkan biogas dari sampah di TPA. Sampah kota yang berasal dari sumber sampah terlebih dahulu dipilah antara


17

Tugas Akhir

Teknik Mesin

bahan organik yang mudah terurai dengan bahan organik yang sulit terurai (residu). Bahan anorganik yang laku dijual dipisahkan dari bahan anorganik yang laku dijual langsung diambil oleh pemulung, sedang residu berupa bahan organik natau anorganik dibakar oleh incinerator. Bahan organik yang mudah terurai sebanyak 75% masuk kedalam proses landfill, sedangkan 25% masuk ke dalam unit proses anaerobik komposting (Dranco). Sampah organik yang diolah dengan proses landfill menghasilkan sebanyak 7.200 m³ perhari dengan 300 m³ untuk mengantisipasi kehilangan gas dalam pipa (1 ton sampah menghasilkan 10 m³ biogas/tahun). Dari produksi biogas tersebut, sebanyak 3.200 m³ per hari digunakan untuk pemanasan reaktor Dranco agar mencapai suhu termofilik 55ºC serta inhouse power pompa dan motor untuk keseluruhan teknologi Dranco yang berfungsi dalam pembuatan kompos. Sisanya, 4.000 m³ biogas perhari, digabungkan dengan biogas yang keluar dari Dranco dan disimpan di dalam tabung penampungan biogas. Sampah organik yang diolah dengan proses Dranco di dalam reaktor berkapasitas 7500 m³. Diagram alir pengolahan sampah dapat dilihat pada gambar 2.3.


18

Tugas Akhir

Teknik Mesin Sampah Kota

Pemilahan

landfill

Incerator residu

Panas

Dijual

Proses anaerobik (Dranco)

Kompos (pengeringan, Packing)

abu Diversifikasi kompos

Biogas Pemurnian biogas

Kehutanan

Pembangkit listrik

Biogas

Gambar 2.3. Diagram alir teknologi terpadu pengolahan sampah di kota Sumber : Sudradjat, H. R., 2006. Mengelola sampah kota. Depok: penebar swadaya 2.2. Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Pengganti Biogas merupakan sumber energi alternatif yang mampu menyumbangkan dalam usaha memenuhi kebutuhan bahan bakar. Pemanfaatan biogas memiliki kelebihan dibandingkan dengan penggunaan sumber energi lainnya. Bahan bakar biogas jika dibakar tidak berasap seperti arang kayu atau kayu bakar. Selain itu limbah biogas dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik, baik berbentuk cair atau padat yang baik bagi pertumbuhan tanaman. Selain dimanfaatkan untuk bahan bakar memasak, biogas sangat potensial sebagai sumber energi terbarukan karena nilai kalor pada gas metana nya tersebut. Sehingga biogas dapat dimanfaatkan untuk penerangan, proses pengeringan,


19

Tugas Akhir

Teknik Mesin

untuk proses penghasil panas, untuk kendaraab bermotor dan pembangkit tenaga listrik. Pemanfaatan biogas mempunyai beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil diantaranya biogas mempunyai sifat yang ramah lingkungan. Dari biogas ini kita dapat menghasilkan gas metan

yang dapat

digunakan sebagai bahan bakar pengganti dari bensin atau diesel. Biogas di dunia internasional telah banyak dikembangkan sebagai bahan bakar dalam motor baik bensin maupun diesel. Pada umumnya penerapan biogas cenderung menggunakan motor diesel dibandingkan motor bensin, namun penerapan biogas relatif lebih mudah dikembangkan pada motor bensin karena pengubahan dari konstruksi standar tidak banyak. Pada kompor pun modifikasi yang dilakukan hanya menyesuaikan nilai perbandingan stoikiometri dari proses pembakaran udara dan biogas. Jika dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon lain, pembakaran metana menghasilkan sedikit karbon diokasida untuk setiap unit panas dilepaskan. Panas pembakaran metana sekitar 891 kJ/mol, lebih rendah dari pada hidrokarbon lainnya. Rasio panas pembakaran (891 kJ/mol) dengan massa molekul (16,0 g/mol) menunjukkan bahwa metana menjadi hidrokarbon paling sederhana, menghasilkan panas lebih banyak per unit massa (55,7 kJ/g) dan hidrokarbon kompleks lainnya. Pengujian menunjukkan, HHV = 23.890 Btu/lb atau 994,7 Btu/ft³ LHV =21518 Btu/lb atau 896,0 Btu/ft³ pada 68ºF dan 14,7 psa (marks, 1999). Gas metan memiliki berat jenis kurang dari bensin dan LPG yaitu 55. Hal ini menyebabkan gas metan cepat terbang ke udara sehingga lebih aman dari LPG


20

Tugas Akhir rasio udara –

Teknik Mesin biogas agar terjadi pembakaran sempurna berdasarkan

keseimbangan kimia adalah 9,5:1. hingga 10:1. Pada pelaksanaan percobaan ini digunakan kran untuk mengatur pencampuran udara biogas agar mesin berjalan dengan lancar. Biogas memiliki kecepatan pembakaran yang sangat lambat dibandingkan LPG maupun bensin. Kecepatan pembakaran nya adalah 290 m/s. kemampuan-bakarannya adalah 4% hingga 14%. Dua hal ini menjadikan biogas dapat memiliki efisiensi pembakaran yang tinggi (Kapdi dkk, 2006). Biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Sebagai perbandingan bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94, sementara alkohol terbaik hanya 105 saja. Hal ini berarti biogas dapat digunakan pada mesin dengan perbandingan kompresi tinggi dan juga menghindarkan mesin dari terjadi knocking atau ketukan. Titik didih biogas adalah 300 derajat celcius (Kapdi dkk, 2006). Menurut Sri Wahyuni (2011), jumlah energi yang terdapat dalam biogas tergantung konsentrasi metana. Semakin tinggi kandungan metana, maka semakin besar kandungan energi (nilai kalori) biogas. Sebaliknya, semakin kecil kandungan metan, semakin kecil nilai kalori. Selain itu, kualitas biogas juga dapat ditingkatkan dengan cara menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan karbondioksida. Pasalnya, hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang menyebabkan korosi. Jika biogas mengandung senyawa ini, maka gas yang ditimbulkan menjadi berbahaya. Sementara itu, kandungan air dalam biogas akan menurunkan titik penyalaan biogas serta dapat menimbulkan korosif. Kandungan hidrogen sulfur, air, dan karbondioksida dapat dihilangkan dengan menggunakan alat atau bahan desulfurizer, yang dibutuhkan untuk menyalakan generator tanpa terkena korosi.


21

Tugas Akhir

Teknik Mesin

2.3. Pengaplikasian Biogas Biogas yang dihasilkan dapat diaplikasikan untuk berbagai alat, antara lain, kompor, lampu, generator, ricecooker, oven, mesin pasteurisasi, dan gasolec. Bahkan, bila diperlukan biogas yang dihasilkan juga bias ditampung dalam biogas storage. Pada dasarnya mengoperasikan peralatan yang menggunakan bahan bakar tidaklah sulit. Sama seperti pengoperasian pada umumnya. Berikut beberapa peralatan berbahan biogas yang akan dipakai untuk penelitian ini. 2.3.1. Kompor Biogas Kompor adalah alat masak yang menghasilkan panas tinggi. Istilah ini sering diartikan ruang tertutup di mana bahan bakar dibakar untuk memberikan pemanasan, baik untuk memanaskan ruangan dimana kompor itu sendiriataupun untuk memanaskan kompor itu sendiri, dan barang-barang yang diletakkan di atasnya (id.Wikipedia.org). Memasak adalah salah satu dari penggunaan atau pengaplikasian utama biogas. Gas dari reaktor ataupun dari kantung biogas. Sebelum menggunakan biogas sebagai bahan bakar, terlebih dahulu siapkan kompor. Kompor yang digunakan adalah jenis kompor gas biasa. Namun, kompor gas tersebut telah dimodifikasi sehingga dapat memakai bahan bakar biogas. Mengoperasikan kompor biogas hampir sama dengan pengoperasian kompor gas biasa. Hanya saja, kompor biogas membutuhkan penyulut untuk menyalakan api. Benuk kompor biogas dapat dilihat pada gambar 2.4.


22

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Gambar 2.4. Kompor Biogas Sumber : PT. Swen IT 2.3.2. Lampu Biogas seperti halnya kompor, lampu yang digunakan juga telah mengalami modifikasi sehingga bisa di nyalakan dengan memakai bahan bakar biogas. Cara menghidupkan lampu berbahan bakar biogas pertama buka gas yang mengalir ke lampu. Nyalakan penyulut dan dekatkan penyulut pada lampu. Atur lampu pada kran gas sesuai dengan kebutuhan. Lampu biogas dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5. Lampu Biogas Sumber : PT. swen IT 2.3.3. Generator Biogas Genset atau kepanjangan dari generator set adalah sebuah perangkat yang berfungsi menghasilkan daya listrik. disebut sebagai generator set dengan


23

Tugas Akhir

Teknik Mesin

pengetian adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu engine dan generator. Gambar Generator set dapat dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Generator set yang digunakan dalam penelitian Sumber : PT. Swen IT Engine sebagai perangkat pemutar sedangkan generator sebagai perangkat pembangkit listrik, generator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri dari stator (kumparan statis) dan rotor (kumparan berputar. Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa engine memutar rotor pada generator sehingga timbul medan magnet pada kumparan stator dan berinteraksi dengan rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai hukum Lorentz, bila penghantar berarus diletakan didalam medan magnet, maka pada penghantar akan timbul gaya. Skema dari generator dapat dilihat pada gambar 2.7.


24

Tugas Akhir

Teknik Mesin

Gambar 2.7 Konstruksi generator arus bolak – balik Sumber : Teknik Dasar Generator, 2003 : Departemen Pendidikan Nasional Prinsip dasar generator arus bolak – balik menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah – ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. Arus listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan tegangan diantara kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan dengan beban akan menghasilkan daya listrik. Daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha. Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan dalam satuan Watt atau horspower (HP), Horspower

merupakan satuan daya

listrik dimana 1 HP setara 746 Watt atau lbft/second. Sedangkan Watt merupakan unit daya listrik dimana 1 watt memiliki daya setara dengan daya yang dihasilkan oleh perkalian 1 arus Ampere dan tegangan 1 volt. Daya dinyatakan dalam P, tegangan dinyatakan dalam V dan arus dinyatakan dalam I, sehingga besarnya daya dinyatakan :


25

Tugas Akhir

Teknik Mesin P=VxI P = Volt x Ampere x Cos φ P = Watt

Arah aliran arus listrik dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Arah aliran arus listrik a. Daya Aktif b. Daya aktif (Aktif Power) adalah daya yang terpakai untuk melakukan energi yang sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. Misalnya energi panas, cahaya, mekanik dan lain – lain. P = V.I. Cos φ P = 3. V1. I1.Cos φ Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja. c. Daya Reaktif Daya reaktif adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet. Dari pembentukan meda magnet maka akan terbentuk fluks medan magnet. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor, lampu pijar dan lain – lain.satuan daya reaktif adalah.


26

Tugas Akhir

Teknik Mesin Q = V.I. Sin φ Q = 3.V1.I1Sin φ

d. Daya Nyata Daya Nyata (Apparent Power) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan rms dan arus rms dalam suatu jaringan atau daya yang merupakan hasil penjumlahan trigonometri daya aktif dan daya reaktif. Satuan daya nyata adalah volt ampere VA. Gambar 2.9 dibawah menjelaskan tentang trigonometri daya aktif dan daya reaktif.

Gambar 2.9. Penjumlahan trigonometri daya aktif, reaktif dan semu

S = P + JQ, mempunyai nilai/ besar dan sudut. S=S<φ S = √P2 + √Q2 < φ Untuk mendapatkan daya nyata satu phasa, maka dapat diturunkan persamaannya seperti dibawah ini : S = P + jQ Dari gambar terlihat bahwa P = V.I.Cos φ P = V.I.Sin φ

Maka


27

Tugas Akhir

Teknik Mesin S1 φ = V2.I2. Cos2 φ + V2.I2 Sin2 φ S1 φ = V2.I2.(Cos2 φ + Sin2 φ) = 1 S1 φ = V2.I2 S1 φ = √V2.I2 S1φ=V.I


28

BAB II DASAR TEORI. oleh suatu proses yang disebut pencernaan anaerobik, merupakan gas campuran

Recommend Documents