ECHO Asia Note #19, Desember 2013:
Biogas sebagai Bahan Bakar Mesin Diesel Oleh Gordon Hirst, Konsultan; Sebelumnya bekerja sebagai Chief Engineer di Lao Institute for Renewable Energy (LIRE), Vientiane, Laos. [Catatan Editor: Semakin meningkatnya popularitas sumber energi alternatif dan terbarukan yang berasal dari kegiatan pertanian, kami menerima banyak pertanyaan mengenai penerapan biogas yang bersumber dari pertanian untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin berukuran kecil. Artikel ini berusaha untuk membahas salah satu kemungkinan penggunaan biogas yang berasal dari pupuk kandang sebagai bahan bakar untuk mesin diesel kecil]
Pengantar oleh Penulis Banyak kelompok masyarakat desa-desa terpencil di mana LIRE bekerja yang berada di lokasi-lokasi yang tidak masuk dalam jaringan distribusi listrik. Saya pertama berkenalan dengan pekerjaan pembangunan masyarakat desa di sebuah rumah sakit pedesaan yang terletak di sebelah utara Vientiane, Republik Demokratik Rakyat Laos. Meskipun terletak di lokasi yang terpencil, baru-baru ini rumah sakit tersebut memasang mesin pengolah biogas bawah tanah bervolume 10 m³ yang akan digunakan untuk memasak di rumah sakit dan di rumah dokter. Bahan baku yang digunakan dihasilkan oleh 20 ekor sapi milik rumah sakit ini. Rumah sakit ini juga memiliki mesin diesel kecil buatan China dengan kapasitas 10 kW, yang telah terhubung ke sebuah generator dengan sumber tunggal atau sumber tegangan AC untuk memberikan penerangan dan mengisi ulang baterai ponsel selama beberapa jam di malam hari. Tugas saya adalah menggunakan gas yang dihasilkan oleh pengolah biogas untuk menjalankan mesin diesel tersebut; tugas ini mengawali sebuah program pembangunan yang mendatangkan frustasi namun sekaligus memberikan pencerahan. Upaya-upaya awal yang masih mentah ini semakin diperkaya dengan proyek serupa yang saya lakukan belakangan selama menjalankan tugas di Laos Institute for Renewable Energy (LIRE) (http://lao-ire.org/) atas nama FACT Foundation (http://www.fact-foundation.com). Dalam artikel ini, saya membagikan pengalaman saya dalam proses pembangunan ini. Tentu saja pengalaman ini tidak sempurna dan mungkin juga tidak 100% benar secara ilmiah. Namun pelajaran-pelajaran nyata ini saya dapatkan dari pengalaman menjalankan uji coba di daerah terpencil dengan sumber daya yang sangat terbatas. Saya juga berusaha untuk menyampaikannya secara sederhana dan menghindari penggunaan istilah-istilah teknis.
Ringkasan Menjalankan sebuah mesin diesel dengan bahan bakar biogas benar-benar DAPAT dilakukan; namun ada sejumlah faktor yang harus diperhitungkan sebelum hal ini dijadikan sebagai pilihan yang serius dalam sebuah program pembangunan. Artikel ini akan membahas beberapa pertimbangan pokok yang diperlukan ketika mencoba untuk membakar biogas di dalam sebuah mesin diesel.
Informasi Dasar Mengenai Latar Belakang Pertama, membedakan berbagai jenis mesin diesel adalah hal yang penting. Menjalankan mesinmesin diesel cukup mirip satu sama lain dan telah berlangsung di sekitar kita sejak Rudolf Diesel pertama kali mengembangkan mesin tersebut tahun 1800-an. Mesin-mesin ini mengandalkan pemantik melalui kompresi (CI) dari sejumlah kecil bahan bakar solar yang disuntikkan ke dalam ruang pembakaran. Pada waktu yang bersamaan, sebuah katup dibuka untuk memungkinkan udara mengalir ke dalam ruang pembakaran. Katup kemudian tertutup dan piston mengempa campuran tersebut. Ketika udara/campuran bahan bakar tersebut mencapai 'titik stoikiometri' (yaitu titik di mana rasio bahan bakar: udara cukup untuk melakukan pembakaran kimiawi), maka campuran ini menyala di bawah tekanan yang tercipta pada saat piston mencapai posisi paling atas dalam gerakan piston/Top Dead Centre (TDC), yang normalnya ada di sekitar rasio kompresi 17:1. Saat campuran menyala, piston dipaksa bergerak ke bawah, mendorong batang torak dan dengan demikian menjalankan mesin. Mesin diesel mobil modern memiliki sistem bahan bakar yang canggih dan sistem manajemen mesin yang membuat mesin sangat efisien tetapi lebih 'mudah tersinggung'; sehingga memasukkan gas tidak murni (seperti biogas) ke dalam persamaan yang telah ada ini tentunya akan memicu berbagai masalah. Motor mekanis kecil yang banyak digunakan di seluruh Asia, yang lebih dikenal dengan sebutan tok tok, adalah desain yang lebih kasar dan lebih sederhana serta sistem injeksi bahan bakarnya menggunakan 'injeksi umum' yang sederhana. Bahkan yang lebih sederhana lagi adalah mesin gayaLister, yang diciptakan untuk sanggup mengatasi goncangan apa saja yang menimpanya . Sifat stasioner dari pengolah biogas berarti bahwa pembangkit listriknya akan bersifat stasioner, sehingga lebih cocok untuk tok tok atau mesin jenis-Lister yang secara mekanis dapat dihubungkan ke output (generator/pompa/mesin).
Sistem Bahan Bakar Berbeda dengan mesin berbahan bakar bensin, mesin diesel tidak memiliki katup penghambat/penutup (throttle). Sebagai gantinya mesin diesel menggunakan governor yang mengatur kecepatan mesin. Pada mesin yang lebih canggih, governor ini dapat bersifat elektro/mekanik, atau hidro/mekanik. Namun, mesin tok tok menggunakan governor yang sepenuhnya mekanik, sederhana namun berputar dengan efektif. Fungsi governor adalah untuk menjaga kecepatan mesin tanpa mempedulikan bebannya (jenis governor lainnya dapat menanggung beban dalam kecepatan berapa saja namun sekali lagi, ini lebih canggih dan lebih mahal). Governor mengatur permintaan bahan bakar sehingga dapat mempertahankan kecepatan yang telah ditetapkan. Kecepatan mesin disesuaikan oleh 'rak' yang diatur oleh operator untuk mencapai kecepatan tertentu yang diinginkan. Oleh sebab itu, sesungguhnya operator menggunakan posisi rak sebagai pengendali katup penghambat, meskipun fungsinya berbeda dari mesin bensin
karena dalam hal ini yang diatur adalah bahan bakarnya dan bukan udaranya, namun hasil akhirnya tetap sama. Hal ini penting untuk diketahui, karena ketika kita memperkenalkan biogas ke dalam sistem, kita mengganti udara yang 'lembam' dengan campuran yang mudah meledak/eksplosif sehingga seluruh fisika yang terlibat dalam proses pembakarannya benar-benar mengalami penataan ulang. Untungnya, kita tidak harus lebih dulu menjadi ahli termodinamika supaya dapat membuat semuanya berjalan. Pada kenyataannya, sistem cenderung menyeimbangkan dirinya sendiri dan rasio campuran eksplosif tersebut terbentuk secara otomatis.
Jenis Mesin Biogas tidak dapat menyalakan dirinya sendiri di bawah tekanan/kompresi, sehingga sedikit solar masih diperlukan untuk pemantik. Berdasarkan penelitian di belakang meja dan eksperimen saya sendiri, rasio optimal yang dapat dicapai saat menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama adalah sekitar 20% solar untuk 80% biogas. Menambahkan sedikit solar ke dalam campuran juga penting untuk melumasi injektor bahan bakar, ini adalah fungsi sekunder solar. Jika Anda ingin menjalankan sebuah mesin sepenuhnya menggunakan biogas murni, maka diperlukan sebuah 'mesin gas'. Mesin gas ini pada dasarnya adalah mesin diesel dengan pemantik percikan, berbeda sekali dengan mesin diesel sejati, yang menggunakan kompresi untuk memantik campuran bahan bakar/udara. Mesin gas tersedia dalam ukuran relatif kecil, tetapi harganya cenderung lebih mahal dan sulit dicari dibandingkan mesin diesel biasa. Karena mesin gas memiliki sistem pemantik, maka mesin tersebut cenderung lebih kompleks. Keunggulan mesin diesel adalah kesederhanaannya; mesin diesel murni dapat berfungsi dengan mengandalkan unsur-unsur mekanik saja. Penambahan gulungan, busi, waktu pemantik, dll hanya membuat sistem menjadi lebih kompleks sehingga lebih menuntut perawatan dan meningkatkan kemungkinan terjadinya kegagalan mekanis.
Informasi Latar Belakang Biogas Biogas dapat dimasukkan langsung ke dalam saluran udara masuk yang ada di mesin diesel sehingga bisa dibakar. Karena menggunakan sistem injeksi rak, maka rak akan secara otomatis menyesuaikan diri dengan asupan yang diterimanya (Gambar 1). Mungkin ‘nada’ mesin mengalami perubahan saat menyesuaikan dengan asupan biogas. Mesin mungkin menunjukkan peningkatan dan/atau penurunan putaran per menit (rpm), bergantung kepada: a) kondisi mesin dan b) kondisi biogas. Namun yang terpenting adalah bagaimana pun nada dan RPM-nya, mesin harus terus berjalan dengan sendirinya.
Gambar 1. Sistem Bahan Bakar Mesin Diesel
Biogas merupakan kombinasi dari berbagai gas. Metana (CH4) adalah gas yang terpenting untuk menghasilkan tenaga. Kandungan metana mungkin sebanyak 40% sampai 75% dari total volume gas. Jumlah gas-gas lainnya bervariasi (Tabel 1). Table 1: Kandungan utama Biogas
Komponen
Simbol kimiawi (Unit)
Jumlah
Metana
CH4 (% vol)
60 -75*
Karbon dioksida
CO2 (% vol)
19 - 33
Nitrogen
N2 (% vol)
0-1
Oksigen
O2 (% vol)
< 0.5
Uap air
H2O (% vol)
6 (@40 ° C)
Sulfur dioksida
H2S (mg/m3)
3.000 – 10.000
Amonia
NH3 (mg/m3)
50 - 100
* variasi musiman
Efek Jangka Panjang Biogas pada Mesin Meskipun sebagian besar gas penyusun biogas itu tidak berbahaya, terpaparnya komponenkomponen mesin oleh hidrogen sulfida (H2S) akan merugikan elemen-elemen mekanik mesin. Jika kita mengharapkan mesin tahan lama, maka H2S harus dihilangkan dari gas (dengan cara dibuang). Komponen utama biogas lainnya, seperti uap air (H2O) dan karbon dioksida (CO2), tidak menyebabkan kerusakan yang tidak dapat diperbaiki pada mesin. Namun, CO2 merupakan salah satu unsur utama dalam gas yang dapat membuat pemantik menjadi tidak efisien. Uap air juga tidak berbahaya, tetapi jika mengembun setelah digunakan dan dibiarkan begitu saja dalam jangka waktu yang lama, oksida besi (karat) akan terbentuk pada komponen-komponen silinder.
Kondisi Mesin Dalam eksperimen-eksperimen awal saya di rumah sakit di Laos, mesin yang digunakan dalam keadaan yang sangat membutuhkan perbaikan. Peralatan untuk mengukur rasio kompresi tidak tersedia, tetapi saya memperkirakan bahwa kompresinya serendah 13: 1 atau 12: 1. Hasilnya mengecewakan, karena saya hanya mampu mencapai rasio bahan bakar maksimum 20:80 (20% biogas untuk setiap 80% solar).
Berbagai Tes Konsumsi Biogas Saya mengukur rasio biogas: konsumsi solar menggunakan suntikan besar yang dipasang di saluran bahan bakar (Gambar 2). Suntikan itu penuh dengan solar dalam jumlah yang diketahui. Mesin dijalankan dan kecepatannya diukur menggunakan tachometer (sering hanya disebut tacho Gambar 3).
Di beberapa negara, Tacho sulit didapatkan, dan kami tidak bisa mendapatkannya di Laos. Saya membeli tacho laser buatan China di e-bay seharga $25, dan Tacho itu tampaknya bekerja dengan baik. Konsumsi Jumlah solar yang diketahui (yang ada dalam suntikan) dihitung waktunya menggunakan 100% solar pada kecepatan mesin yang sudah ditetapkan. Kemudian uji ini diulangi dengan mengisikan biogas ke dalam mesin sedemikian rupa sehingga campuran bahan bakar mesin itu hanya sesedikit mungkin memakai solar dan sebanyak mungkin memakai biogas.
Ruang Pusaran
Suntikan
Gambar 2. Suntikan untuk mengukur konsumsi solar, juga ditunjukkan ‘ruang pusaran’.
3.Tachometer buatan China seharga Rp.260.000 yang berfungsi dengan baik
Gambar 4. Koneksi biogas ke jalan masuk udara Gambar 5. Ruang Pusaran
Pada percobaan-percobaan awal yang saya lakukan, saya memodifikasi filter udara dengan cara memasukkan sebuah inlet dengan katup dan selang konektor ke tempat filter udara (Gambar 4). Biogas kemudian dihubungkan langsung dari pengolah biogas ke saluran masuk udara melalui sebuah selang. Semakin besar selang, semakin baik; kami menggunakan selang ¾" dan katup ¾". Seharusnya mesin bisa dihidupkan menggunakan biogas namun demi kepraktisan, saya merasa lebih mudah untuk menyalakan mesin menggunakan solar murni dan kemudian membuka katup biogas pada filter udara.
Selama melakukan percobaan-percobaan awal, saya juga membuat dan menguji 'ruang pusaran' (Gambar 5) dalam usaha untuk lebih mencampur oksigen dan biogas sebelum pembakaran; Saya membuat ruang pusaran ini dari sebuah tabung baja dengan pembaur di tengah (Gambar 5). Alasan saya menggunakan 'ruang pusaran' adalah karena molekul metana sangat kecil dibandingkan dengan molekul oksigen. Dalam beberapa artikel di internet, dianjurkan untuk membuat 'ruang pusaran,' dan sebagian mobil modern menggunakan ruang seperti ini. Dalam eksperimen terbaru yang saya lakukan, menurut saya keberadaan ruang ini tidak menghasilkan perbedaan dalam kinerja mesin. Namun, dalam beberapa hal lainnya mungkin ruang ini akan bermanfaat, dan Anda mungkin dapat mempertimbangkan untuk mencoba membuatnya jika Anda menjumpai masalah dalam menghasilkan pembakaran yang efisien. Percobaan di atas dilakukan menggunakan mesin diesel tua dalam kondisi yang buruk (Gambar 6). Pengujian lainnya saya lakukan dengan menggunakan mesin Kubota silinder tunggal yang relatif baru (Gambar 7). Dengan mesin baru, hasilnya lebih mengesankan karena mesin ini langsung 'jalan' segera setelah katup biogas dibuka. Rak disesuaikan ke titik di mana nada mesin (kecepatannya) serupa dengan mesin yang menggunakan solar murni. Pengoperasian mesin secara lancar dihasilkan dengan menggunakan rasio campuran sekitar 80% biogas dan 20% solar.
Gambar 6. Mesin diesel tua dalam kondisi buruk
Gambar 7. Mesin diesel baru
Tekanan yang dihasilkan biogas untuk menjalankan mesin diesel tidak perlu tinggi, dan alat pengukur yang kami gunakan bukanlah yang berkualitas tinggi. Saya memperkirakan tekanan biogas adalah sekitar 10 kPa (sekitar 1,5 psi). Aktivitas di dalam mesin itu sendiri akan cukup kuat untuk menarik bahan bakar ke dalam sistem, sehingga tidak diperlukan sistem bertekanan untuk menjalankan sebuah mesin diesel. Mesin ini hanya dihidupkan untuk jangka waktu yang singkat, karena mengkonsumsi jumlah gas yang sangat besar.
Letak Lubang Masuk Gas Pastikan untuk memasukkan gas ke mesin di tempat yang tepat. Dalam berbagai eksperimen yang saya lakukan, saya memasukkan gas ke dalam saringan udara. Setelah mencoba melakukan hal ini beberapa kali dan membicarakannya dengan orang lain yang telah melakukan eksperimen yang sama, saya menyadari bahwa tindakan ini ternyata salah. Lubang masuk biogas harus ditempatkan
dalam manipol saluran masuk udara, tepat sebelum memasuki mesin (Gambar 8 & 9). Anda dapat mengaitkan gelontoran biogas ke dalam saluran masuk udara ini dengan membuat lubang dan mengelas sebuah soket berulir ke pipa masuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 8. Titik lubang masuk biogas yang tepat ditandai dengan tanda X putih pada saluran masuk udara. Lubangi pipa lubang masuk dan las soket ¾”
Lubang masuk ke mesin
Saluran Udara Katup ¾” dan selang konektor
Gambar 9. Modifikasi saluran masuk udara
Lab di km-19 Saya melakukan proyek penelitian lainnya dengan LIRE, kali ini untuk menghitung jumlah energi yang akan dihasilkan dari sejumlah asupan bahan bakar yang sudah diketahui. Laboratorium ini terletak di sebuah peternakan babi di luar Vientiane di km 19. Peternakan babi ini juga menyuling wiski beras lokal yang dinamai 'Laos Laos'. Biogas yang dihasilkan oleh peternakan babi digunakan untuk memasak dan untuk api penyuling. Mereka kemudian menggunakan 'buburnya ' untuk memberi makan babi sehingga menciptakan siklus asupan dan keluaran yang nyaris sempurna, meskipun pada kenyataannya asupan yang dibutuhkan lebih banyak daripada hanya bubur dan biogas.
Dengan mengukur asupan dan keluaran dari produksi biogas, kita bisa menghitung berapa banyak pupuk kandang (dalam hal ini kotoran babi) yang dibutuhkan untuk per kWh energi yang dihasilkan mesin diesel yang berjalan dengan bahan bakar campuran solar dan biogas. 'Laboratorium' kami mempunyai pengolah biogas bawah tanah dengan volume tetap 8 m3.. Setelah diproduksi, biogas dimasukkan ke dalam balon biogas berukuran 5 m3 untuk disimpan. Untuk keluaran daya listrik, kami menggunakan sebuah mesin kecil bersilinder tunggal buatan China berukuran 4,8 kW. Kami mengukur daya keluaran menggunakan 'Prony brake’ yaitu pengereman yang dipasang pada poros keluar, pelopor sederhana dynamometer modern. [Catatan: Rincian mengenai Prony brake tidak dimasukkan dalam laporan ini. Jika dibutuhkan informasi lebih lanjut tentang 'Prony Brake' yang diinginkan, silahkan hubungi penulis.] Sebagai bagian dari percobaan kami di Vientiane, kami menguji keefektifan upaya 'menggosok' gas sebelum gas tersebut mencapai mesin. Kami melakukan sejumlah pengujian untuk menentukan metode yang paling efisien dan praktis guna menghilangkan gas dalam konteks pedesaan (Gambar 10 & 11).
Penggosokan gas Manometer (pengukur tekanan)
Ruang pusaran Mesin Penyimpana n gas 5m3
Gambar 10. Skema Lab biogas
Gambar 11. Lab Biogas
Menggosok Biogas Saya mengetahui dua cara yang efektif dan mudah diakses untuk menghilangkan, atau 'menggosok' H2S (Hidrogen sulfida). Kedua cara ini dapat diterapkan dengan menggunakan teknologi tepat guna. Memang ada penggosok yang diproduksi secara komersial, tetapi harga dan ketersediaannya membuat penggosok ini tidak pas untuk digunakan di pedesaan. Untuk kualitas gas yang memenuhi syarat, Anda perlu mengusahakan agar kandungan H2S dalam biogas kurang dari 100 ppm (satu bagian per juta). Umumnya, biogas akan memerlukan lebih banyak gosokan daripada yang Anda perkirakan.
Menggosok Menggunakan Natrium Hidroksida Natrium hidroksida (NaOH), lebih dikenal sebagai 'soda kaustik/soda api' atau 'Lai', adalah media penggosok berspektrum luas yang juga akan menghilangkan CO2 serta H2S. Natrium hidroksida banyak tersedia bahkan di pedesaan terpencil sekalipun dan biasanya dapat dibeli di toko alat dan bahan bangunan lokal. Supaya dapat menggosok biogas dengan natrium hidroksida, Anda perlu membangun sebuah menara 'air'. Menara air ini dapat dibangun menggunakan bahan lokal (Gambar 12-13). Di menara, gas ditiupkan melalui larutan air dan natrium hidroksida dengan rasio air dibanding NaOH (menurut beratnya) sama dengan 3:1. Gas dipompa melalui menara air ke manipol yang memiliki serangkaian lubang kecil (Gambar 12). Tujuannya adalah untuk menciptakan gelembung sekecil mungkin sehingga meningkatkan luas permukaan gas saat gas melewati larutan air dan natrium hidroksida. Selanjutnya akan terjadi sebuah reaksi kimia yang menyebabkan H2S dan CO2 mengendap dan membentuk semacam bubur di dasar menara.
Air (dilarutkan)
masuk Biogas yang sudah digosok
Air dan Natrium
hidroksida
‘bubur’ Air (dilarutkan) keluar
Gambar 12. Skema Menara Air
Gambar 13. Menara Air dengan Pompa Gas dan Meter
Gambar 14.Mengisi Menara Air. Perhatikan penggunaan Alat Keselamatan
Ketika menggunakan pendekatan ini, kami menyadari beberapa kelemahan serius dalam prosesnya: 1. Desain menara air menghasilkan menara yang canggung dan tidak praktis, baik untuk memasukkan larutan maupun untuk mengeluarkan larutan encer dan buburnya. Namun akhirnya, biogas berhasil dibersihkan dari kandungan H2S dan CO2, tetapi proses ini menghasilkan bubur beracun yang perlu dibuang. 2. Menangani soda api adalah sesuatu yang berbahaya, dan alat-alat pelindung (sarung tangan dan kacamata) HARUS dikenakan (Gambar 14). Alat-alat pelindung ini jauh lebih sulit diperoleh daripada soda api. Selain itu, ada juga potensi hambatan budaya yang harus diatasi dalam penggunaan APD (Alat Pelindung Diri). Catatan: sangat berguna untuk menyiapkan sebotol cuka yang siap dijangkau, karena cuka bersifat asam; jika soda api tumpah dan mengenai kulit, cuka dapat digunakan untuk menetralkan basa yang kuat. 3. Biogas harus mendapat tekanan yang cukup supaya kita dapat mendorong gas bergerak melewati menara air (yaitu harus ada cukup 'kepala' untuk melakukan hal ini). Dalam operasi normal, tekanan dalam balon biogas kemungkinan besar tidak cukup untuk mengatasi kepala; oleh karena itu, perlu digunakan pompa gas tambahan. Di lokasi pedesaan mungkin tidak ada akses ke daya listrik 240V atau pompa gas yang dapat memberikan tekanan ekstra yang diperlukan untuk menggunakan menara air. Dalam percobaan yang kami lakukan, kami mengedarkan 5 m3 biogas melalui menara dan kembali ke balon penyimpanan. Meskipun kami tidak mencatat pembacaan akhir, kami memperkirakan bahwa untuk menyelesaikan siklus penggosokan ini akan diperlukan waktu sekitar 10 jam, dan akan menghasilkan bubur beracun sebanyak beberapa kilogram.
Menggosok Menggunakan Besi Oksida/Ferioksida (Tahi besi/Karat) Penggosok oksida besi (karat) adalah metode biasa 'yang tepat' untuk menggosok biogas, karena jenis penggosok ini pembuatannya sederhana. Karat terdiri dari oksida besi terhidrasi (Fe2O3.nH2O) dan besi oksida-hidroksida (FeO (OH).Fe (OH)3). Saat gas bergerak melewati karat, terjadi sebuah reaksi kimia, dan H2S mengendap keluar dari biogas (Gambar 15). Namun, berbeda dari penggosok natrium hidroksida, metode ini tidak dapat menghilangkan CO2.
Tantangan utama dalam menggunakan metode ini adalah mendapatkan baja atau besi sebagai bahan baku untuk penggosok. Idealnya, orang akan mencari serutan dari toko mesin, sering disebut sebagai, ‘serpihan’, 'serutan,' atau 'serbuk pengisi.' Bola-bola bantalan (bearings) yang sudah tua merupakan bahan yang ideal karena memiliki area permukaan yang luas terhadap rasio volume, tetapi mungkin sulit untuk mendapatkannya sesuai jumlah yang dibutuhkan. Partikel-partikel halus ‘serbuk pengisi’ tidak berguna karena gas harus dapat melalui tabung yang terisi penuh oleh serbuk pengisi. Setelah mendapatkan serpihan, maka serpihan harus dibiarkan berkarat dengan cara membiarkannya terpapar cuaca selama dua atau tiga minggu. (Kemungkinan besar serpihan awalnya sudah diminyaki untuk mencegah agar bahan dasarnya tidak berkarat, sehingga hal pertama yang harus dilakukan adalah menghilangkan minyak tersebut dengan larutan sabun sehingga serpihan benar-benar bebas dari minyak). Setelah serpihan dibiarkan terpapar cuaca selama beberapa minggu maka pasti akan cukup banyak karatnya. Kemudian serpihan harus dikemas ke dalam tabung PVC (saya menggunakan tabung sepanjang 1,4 m dengan diameter 75 mm) dengan outlet dan inlet di masing-masing ujungnya (Gambar 16, 17). Beberapa pelat berlubang dapat membantu perakitan karena menciptakan kolom bagi serpihan tersebut dalam tabung PVC (Gambar 18). Serpihan yang ada di dalam kolom memungkinkan gas dapat bebas melewatinya tetapi memiliki luas permukaan yang mencukupi untuk terjadinya reaksi oksida besi dan H2S. Saya anjurkan agar tabung PVC ditutup dengan topi penutup yang bisa dilepas, sebab penutupnya perlu dilepas jika Anda perlu mengganti serpihan yang digunakan. Satu-satunya masalah nyata yang saya temui dalam melakukan penggosokan dengan metode ini adalah sulitnya membuat tabung udara/gas benar-benar tertutup rapat. Akhirnya, saya menyimpulkan bahwa karena rendahnya tekanan maka hanya ada sedikit sekali gas yang lolos. Berbeda dari metode natrium hidroksida, kita tidak membutuhkan pompa gas untuk memaksa biogas melalui serpihan-serpihan tersebut. Sesudahnya, saya mengukur keefektifan penggosokan dengan mengalirkan gelembung gas melalui larutan timbal asetat , dan mengukur jumlah timbal sulfida (yaitu belerang/sulfur yang tidak terhapus selama penggosokan) (* Untuk rincian tentang tes timbal asetat, silahkan hubungi penulis). Berdasarkan tes timbal asetat, saya menyimpulkan bahwa diperlukan empat tahap penggosokan berikutnya untuk menghapus semua Sulfur dioksida. Kedua pendekatan ini sama-sama membutuhkan studi kelayakan sebelumnya.
Biogas yang sudah digosok
Ferioksida
Gambar 15. Skema Penggosok Ferioksida
Gambar 16. Penggosok gas Ferioksida
Gambar 17. Dipenuhi dengan serpihan logam
Gambar 18. Piringan berlubang di dalam Penggosok
Menggosok Uap Air Meskipun uap air tidak menjadi masalah bagi proses pemantikan, masuknya uap air ke dalam silinder dapat menyebabkan kondensasi dan akan mendorong terbentuknya karat. Sebab itu menambahkan 'perangkap air ' sebelum biogas memasuki mesin akan bermanfaat. Sebuah perangkap air sederhana dapat dibuat dengan menggunakan tabung baja yang diberi inlet di satu ujung dan outlet di ujung lainnya. Tabung baja harus ditempatkan di lokasi yang lebih dingin dibandingkan gas yang ada di dalam tabung, sehingga menyebabkan uap air mengembun ke bagian dalam tabung. Bagaimana mewujudkan hal ini akan sangat bergantung kepada sumber-sumber pendingin yang tersedia secara lokal. Sumber-sumber pendingin seperti pendingin termal bawah tanah, air mengalir, dll mungkin sangat sulit ditemukan di pedesaan. Tabung ini panjangnya harus sekitar 6 meter dan juga harus memiliki keran saluran pembuangan untuk menghilangkan air yang mengembun. Dalam percobaan-percobaan yang saya lakukan, ‘sumber pendingin’ tidak tersedia, jadi saya memutuskan untuk tidak menghilangkan uap air. Ternyata tanpa menghilangkan uap air, biogas dapat dibakar dalam mesin tanpa ada masalah. Meskipun demikian, penggunaan biogas pada mesin diesel dalam jangka panjang tanpa digosok dapat menyebabkan timbulnya karat pada silinder dan terjadinya kegagalan mekanik.
Berapa Banyak Daya Listrik yang dapat dihasilkan dengan menggunakan Biogas? Dalam banyak hal, produksi biogas lebih merupakan seni ketimbang ilmu. Ada banyak variabel yang perlu dipertimbangkan. Ketika gas digunakan untuk memasak, sebagian besar perilaku biogas terselubung oleh konversinya yang sederhana (melalui pembakaran) menjadi panas dan cahaya. Namun ketika biogas digunakan sebagai bahan bakar untuk mesin, variasinya menjadi lebih jelas dan kentara. Anda perlu mengingat hal ini pada saat mengkaji hasil dari uji coba biogas sebagai bahan bakar mesin (seperti yang saya uraikan di bawah). Dalam situasi yang berbeda, dapat hasil tes yang berbeda akan muncul karena perbedaan metode-metode produksi biogas dan pemanfaatan bahan baku. Gunakan hasil-hasil berikut ini hanya sebagai panduan kasar.
Data dari uji coba dan hasil-hasil empiris: 1 kg pupuk kandang = 60 - 100 liter biogas Diperlukan sekitar 550 liter CH4 per kWh daya listrik yang dihasilkan pada poros output mesin. Biogas rata-rata mengandung 60% metana; sehingga akan diperlukan sekitar 900 liter biogas mentah per kWh energi yang ingin dihasilkan. Jadi akan diperlukan 9-15 kg pupuk kandang per kWh listrik yang diinginkan.
Perhitungan Nyata Jika Anda menjalankan generator 10 kW selama 3 jam, energi yang dihasilkan akan berjumlah 30 kWh, dan ini membutuhkan 270-450 kg pupuk kandang sebagai bahan baku untuk dimasukkan ke dalam pengolah biogas. Ingatlah bahwa hasil tersebut adalah untuk sebuah mesin diesel. Untuk pembangkit listrik, poros output harus dihubungkan ke generator dengan menggunakan sabuk dan katrol atau rantai dan gigi jentera. Perlu disadari bahwa untuk mengatasi perlawanan elektromagnetik dalam kumparankumparan generator juga akan memerlukan asupanenergi sehingga, sekali lagi, secara keseluruhan akan mengurangi efisiensi. Untuk generator kecil (katakanlah hingga 50 kW ), sediakan kemungkinan bertambahnya pengurangan daya listrik sebesar 15%.
Apakah Biogas Praktis sebagai Pembangkit Tenaga Listrik? Biogas memungkinkan sebagai pembangkit listrik. Namun ada sejumlah pertimbangan praktis yang perlu dicari jalan keluarnya. Untuk menjalankan sebuah mesin dengan bahan bakar biogas akan membutuhkan sangat banyak biogas, yang memerlukan bahan baku dalam jumlah besar, sehingga membutuhkan banyak tenaga kerja dan infrastruktur. Selain itu diperlukan investasi teknis dan tenaga kerja yang cukup besar untuk memenuhi berbagai persyaratan teknis dan bahan-bahan penggosok serta bahan asupan lainnya. Saya menyimpulkan bahwa menggunakan biogas sebagai bahan bakar mesin diesel sebagai pembangkit listrik dan/atau untuk pekerjaan mekanik harus dipertimbangkan sebagai pilihan terakhir dan bukan sebagai pilihan pertama, terutama jika jaringan listrik biasa sudah tersedia. YouTube video http://www.youtube.com/watch?v=nKFe7N7Q4iE
Gordon Hirst Engineering consultant & appropriate technology specialist Chief Engineer Maejo University School of Renewable Energy
[email protected]
