GASIFIKASI BIOMASSA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI

GASIFIKASI BIOMASSA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI

YOGI SIRODZ GAOS

1 SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008

PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.

Bogor, Juli 2008

Yogi Sirodz Gaos NIM F161020071

ABSTRACT YOGI SIRODZ GAOS. Biomass Gasificasion for Electric Generation and Waste Exhaust Gas Utilization for Adsorption System. Under direction of ARMANSYAH H. TAMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULAH, and PRAWOTO The emergence of energy crisis recently has attracted the utilitation of alternative energy, especially the renewable one. Biomass, as one of the renewable energy resources, attract more attention due to its enamourus quantity (i.e. 261.99 billion ton per year). The object of this research was to study the optimal use of the biomass by designing a gasification system to produce electricity and a heat exchanger to utilize the waste heat from the exhaust gas of the engine as energy source for adsoption refrigeration. Optimum dimension of the gasifier was studied by using numerical analysis in order to have the optimal temperature distribution within the gasifier and optimum combustile gases. The heat exchanger design was simulated using polynomial equation and Kern method. The performance of the heat echanger and adsorption refrigeration was studied by using energy and exergy analysis. The dimension of the gasifier was 600 mm in reactor’s diameter, 120 mm in throat diameter, and 1800 mm height. Performance test of imbert downdraft gasifier which was equiped with ash filter such as separator, gas cooler, acummulator, and cyclone was conducted using three kind of feeding chips, i.e: borneo wood, tamarind wood, and leucena wood. The best combustible gas was produced from 40 kg borneo wood, which contain 55.90% CO, 1.14% CH4, 0.29% C2H6 and 0,08% C3H8, 42.90% CO2, and the maximum temperture in oxidation zone was 1142 oC. It had 561.24 MJ of combustion energy with rates 25.98 kW. Dual fuel between high speed diesel oil and borneo chip wood with the fraction 60:40 had been implemented to diesel engine as a prime mover and could generate 8 kW electric power. The best performance result was at a nominal load of 6 kW with specific fuel consumption 0.32 l/kWh diesel oil and 1.98 kg/kWh wood. The dimension of heat exchanger were 10 mm diameter, 200 mm total length, 150 pcs tubes in 75 passes with thermal conductivity 385 W/m K. Heat transfer energy of the heat exchanger was 0.83 kW, water outlet 85 oC, water mass flowrate 3.42 kg/min, the highest temperature in desorption generator 79 oC, and silica gel batch 65oC. These were good condition for adsorption proccess of methanol in generator which continued by the condensation proccess. It took 45 minutes for 500 ml methanol (98%). Exergy efficiency of the heat exchanger which operated in 120 minutes was 12.54%, meanwhile the exergy efficiency of desorption generator operated in 135 minutes was 4.04% and coefficient of performance of the adsorpsion system was 0.4.

Key words: downdraft gasifier, combustible gas, heat exchanger, adsorpsion, energy, and exergy efficiency.

RINGKASAN YOGI SIRODZ GAOS. Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi. Dibawah bimbingan ARMANSYAH H. TAMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULLAH, dan PRAWOTO Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Salah satu cara mengatasi krisis energi adalah dengan menggunakan energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah biomassa, karena jumlahnya yang cukup melimpah, yaitu sebesar 261.99 juta ton. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun suatu sistem yang dapat memanfaatkan biomassa menjadi energi listrik dan sumber panas bagi sistem pendingin adsorpsi. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah perhitungan numerik untuk menghasilkan dimensi gasifier yang optimal, analisa gas mampu bakar tiga jenis umpan kayu, dan pendugaan distribusi suhu di gasfier. Rancangan alat penukar kalor menggunakan metode optimasi dengan persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern untuk mencari dimensi luas permukaan sentuh dan kinerjanya. Analisa pada mesin pendingin adsorpsi meliputi energi total yang dilepas air, energi panas yang diserap untuk proses desorpsi, persentase bobot energi pada proses desorpsi, dan eksergi generator desorpsi. Secara garis besar, sistem ini terdiri dari 3 komponen utama, yaitu: gasifier, alat penukar kalor, dan pedingin adsoprsi. Gasifier adalah reaktor yang berfungsi untuk menghasilkan gas mampu bakar. Dalam penelitian ini digunakan motor diesel berbahan bakar ganda (dual fuel) dengan fraksi 40 % gas mampu bakar dari umpan kayu dan 60 % solar. Alat penukar kalor dengan sumber panas gas buang digunakan untuk memanaskan air yang akan dimanfaatkan untuk proses pendinginan desorpsi. Pendingin desorpsi digunakan untuk pendinginan hasil pertanian. Gasifier yang digunakan pada penelitian ini memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 120 mm, dan tinggi reaktor 1800 mm. Alur kerja di gasifier adalah, pertama pengeringan umpan kayu yang diikuti dengan pembakaran umpan kayu untuk menghasilkan gas mampu bakar. Gas mampu bakar digunakan untuk mengkonversi panas menjadi energi gerak pada generator, sehingga menghasilkan listrik. Sedangkan gas buang yang merupakan hasil samping gas mampu bakar dialirkan ke alat penukar kalor untuk memanaskan air. Umpan kayu yang digunakan terdiri dari tiga jenis, yaitu kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem. Ukuran ketiga kayu ini seragam, yaitu berbentuk kubus dengan dimensi (30x30x30) mm. Kayu borneo merupakan umpan kayu yang memiliki kinerja terbaik, mempunyai nilai kalor sebesar 18897.12 kJ/kg. Sedangkan kayu asem dan kayu lamtorogung memiliki nilai kalor berturut-turut 17224.29 kJ/kg dan 16351.34 kJ/kg. Gasifier ini mampu membangkitkan mesin pembangkit tenaga sebesar 8 kW dan pola operasi empat jam tanpa penambahan umpan kayu.

Sistematika aliran fluida pada alat penukar kalor, yaitu air mengalir secara paksa melalui pipa dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir melalui cangkang dari bawah ke atas menggunakan prinsip perbedaan tekanan. Optimasi luas permukaan sentuh alat penukar panas menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern, dengan menggunakan beberapa asumsi berikut: 1) pipa lurus dengan permukaan dalam dan luar yang halus, 2) aliran air dan aliran gas buang lancar, 3) air dan gas buang pada kondisi di atas tekanan atmosfir, 4) penurunan tekanan akibat perubahan bentuk alat penukar kalor diabaikan, 5) pindah panas radiasi dari gas diabaikan, 6) pindah panas dari cangkang ke lingkungan diabaikan. Optimasi ini bertujuan untuk menghasilkan suhu air di mesin desorpsi sebesar 85 oC dengan batasan desain sebagai berikut: 1) energi air panas sebesar 1 kW, 2) laju masa air sebesar 0.057 kg/s, 3) laju aliran gas 0.0056 kg/s. Konstruksi alat penukar kalor yang dihasilkan sebagai berikut: diamater luar pipa 10 mm, tebal 1 mm, panjang 200 mm, jumlah pipa 150 batang, 75 laluan, konduktivitas panas material pipa sebesar 385 W/m.K. Hasil pengujian menunjukkan adanya perbedaan laju massa gas buang hasil uji dengan rancangan. Laju massa gas buang hasil uji sebesar 0.0052 kg/s, hal ini disebabkan oleh pemakaian bahan bakar per jam kurang dari 1 l/h dan rasio udara bahan bakar kurang dari 14.95. Perbandingan kinerja alat penukar kalor berdasarkan data hasil uji dan data rancangan/simulasi masing-masing sebagai berikut: U (8.44 W/m2.K; 26.49 W/m2.K), ΔTLMTD (127.21 oC; 33.36 oC), efektivitas (1.87%; 2.49%), NTU (1.89%; 2.52%), panas yang dilepaskan fluida panas (1.0 kW; 0.84 kW), panas yang diterima fluida dingin (0.98 kW; 0.83 kW), panas yang dipindahkan (1.01 kW; 0.83 kW), efisiensi eksergi (12.54%; 24.07%). Perbedaan ini disebabkan karena sistem tidak terisolasi dengan baik dan laju masa gas buang hasil uji (0.0052 kg/s) lebih kecil daripada data rancangan/simulasi. Generator desoprsi adalah salah satu komponen mesin pendingin adsorpsi yang berfungsi sebagai kompresor pada mesin pendingin konvensional. Di generator desorpsi terjadi proses pelepasan metanol dari pori-pori silikagel (desorpsi). Proses ini membutuhkan energi panas yang didapat dari air panas yang dialirkan alat penukar kalor. Total energi panas yang dilepas air selama 135 menit berturut-turut sebesar 6581.92 kJ, 6679.14 kJ, dan 6582.34 kJ. Proses desorpsi hanya menyerap energi panas 10-20% dari total energi panas yang dilepas oleh air panas selama 135 menit. Energi panas dari air digunakan untuk memanaskan generator, memanaskan silikagel, dan menguapkan metanol sehingga lepas dari pori-pori silikagel. Persentase alokasi energi panas sebagai berikut: 47.42% digunakan untuk memanaskan generator, 8.36% digunakan untuk memanaskan silikagel, dan 44.2% digunakan untuk memanaskan dan menguapkan metanol. Salah satu kinerja generator desorpsi pada penelitian ini adalah efisiensi eksergi. Berdasarkan ketiga data hasil uji, efisiensi eksergi berturut-turut sebagai berikut 3.20%, 3.70%, dan 4.04%. Efisiensi eksergi data hasil uji 30 Agustus 2007 paling besar, karena ketersediaan eksergi tertinggi sebesar 6477.09 kJ dengan laju aliran air yang sama sebesar 0.057 kg/s, sedangkan nilai kehilangan eksergi paling kecil sebesar 825.55 kJ. Hasil penelitian gasifikasi biomassa dari rangkaian gasifier, mesin penggerak generator, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi, maka kinerja optimal diperoleh dengan menggunakan umpan kayu borneo, sehingga

mampu mengkonversi energi termal dari campuran gas mampu bakar dengan bahan bakar solar dengan fraksi 40:60 menjadi energi listrik pada beban nominal sebesar 6 kW, efisiensi termal mesin pembangkit tenaga 15.10%, energi gas buang 6.85 kW, pemanfaatan energi gas buang melalui alat penukar kalor 0.83 kW, koefisien pindah panas menyeluruh 26.49 W/m2K, efisiensi eksergi alat penukar kalor tertinggi 29.36%, energi yang digunakan untuk proses desorpsi (menguapkan metanol dari silikagel) sebesar 1086.7 kJ, dan efisiensi eksergi generator desorpsi 4.04% dengan COP mesin pendingin adsorpsi 0.4 Berdasarkan penjelasan di atas, gasifikasi biomassa ini masih dapat ditingkatkan kinerjanya. Peningkatan kinerja mesin ini dapat dilakukan dengan mengisolasi sistem pada gasifier, alat penukar panas, dan generator desorpsi. Kedua, dengan menjaga pembakaran umpan kayu terjadi terus menerus selama 4 jam sehingga ketersediaan energi panas dari gas buang stabil. Kata kunci: Gasifier unggun tetap, gas mampu bakar, alat penukar kalor, adsorpsi, energi, eksergi, efisiensi.

© Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi

1.

2.

Dilarang mengutip sebagian atau seluruhnya karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber: a. Penyuntingan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

GASIFIKASI BIOMASSA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI

YOGI SIRODZ GAOS

Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

1 SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008

Ujian Tertutup 12 Mei 2008 Penguji Luar Komisi : Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS

Ujian Terbuka 16 Juni 2008 Penguji Luar Komisi : 1. Prof. Dr. Ir. Aryadi Suwono. 2. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si.

Judul Disertasi Nama NIM

: Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi : YOGI SIRODZ GAOS : F161020071

Disetujui Komisi Pembimbing

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Ketua

Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA Anggota

Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE Anggota

Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Tanggal Ujian: 16 Juni 2008

Dekan Sekolah Pascasarjana

Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S. Tanggal Lulus:

PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmatNya sehingga disertasi ini dapat diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang berlokasi di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian IPB, dengan judul Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, MSc. selaku ketua komisi pembimbing, Bapak Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, dan Bapak Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE., selaku anggota komisi yang telah banyak memberi saran dan bimbingan. Penulis juga menyampaikan penghargaan kepada: 1. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional yang telah memberikan bantuan berupa biaya pendidikan dan penelitian melalui program BPPS Tahun 2002. 2. Terima kasih kepada program HPTP 2007-2008 3. Pembina, Ketua, dan Pengawas Yayasan Pendidikan Islam Ibn Khaldun Bogor 4. Rektor Universitas Ibn Khaldun Bogor 5. Dekan Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor 6. Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor 7. Sri Suwartati, Galih Arya Nugraha, Anggia Angraini dan Irvan Wiradinata yang selalu memberikan dorongan dalam penyelesaian studi. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi masyarakat dan iptek.

Bogor, Juni 2008 Yogi Sirodz Gaos

RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Garut pada tanggal 4 Nopember 1951 sebagai anak kedua dari pasangan M. Gaos dan Imas Marfuah. Pendidikan sarjana ditempuh di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Insititut Teknologi Bandung, lulus pada tahun 1980. Kesempatan untuk menempuh pendidikan Pascasarjana diperoleh pada tahun 1999 yakni di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia dan menyelesaikannya pada tahun 2002. Pada tahun yang sama (2002) penulis meneruskan studi ke program doktor di Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Beasiswa pendidikan pascasarjana (BPPS 2002) diperoleh dari Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia. Selama mengikuti Program doktor (S-3), penulis telah menghasilkan karya ilmiah yang berjudul “Performance Test of Small Diesel Generator by Using Downdraft Gasification” telah disajikan pada Seminar Internasional di Institut Pertanian Bogor pada tanggal 04-05 Agustus 2004. Artikel ilmiah yang relevan dengan bagian disertasi dengan judul “Exergy Analysis on the Utilization of Exhaust Gas to Generate an Adsorption Cooling System” telah disajikan pada Seminar Internasional World Renewable Energy Conference di Jakarta pada tanggal 11-12 April 2005. Artikel ilmiah yang merupakan bagian dari disertasi ini, telah ditulis dan diterbitkan Jurnal Keteknikan Pertanian Vol. 21, No. 2, edisi Juni 2007 dengan judul “Analisis Energi dan Sebaran Suhu pada Gasifier Unggun Tetap.

DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ...........................................................................................

xiv

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................

xv

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xvii DAFTAR ISTILAH .........................................................................................

xix

1 PENDAHULUAN Latar Belakang ........................................................................................ Tujuan Penelitian ................................................................................... Manfaat Penelitian ................................................................................. Ruang Lingkup Penelitian .....................................................................

1 6 7 7

2 KINERJA GASIFIER UNGGUN TETAP ALIRAN KEBAWAH Pendahuluan............................................................................................ Bahan dan Metoda ................................................................................. Hasil dan Pembahasan ............................................................................ Simpulan .................................................................................................

9 26 29 37

3 ALAT PENUKAR KALOR UNTUK PEMANFAATAN GAS BUANG Pendahuluan............................................................................................. Bahan dan Metoda ................................................................................. Hasil dan Pembahasan ............................................................................ Simpulan..................................................................................................

39 49 51 61

4

MESIN PENDINGIN ADSORPSI Pendahuluan ........................................................................................... Bahan dan Metoda ................................................................................. Hasil dan Pembahasan ............................................................................ Simpulan.................................................................................................

63 76 77 95

5 PEMBAHASAN UMUM.........................................................................

97

6 SIMPULAN DAN SARAN......................................................................

105

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................

107

xiv

DAFTAR TABEL Halaman 1.1

Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat [2001]......................... ............................................................................

4

1.2

Sasaran pengembangan energi baru terbarukan .....................................

4

2.1

Parameter teknis dan operasional dari beberapa jenis gasifier...............

11

2.2

Karakteristik tipikal umpan reaktor yang digunakan untuk tujuan pembangkitan energi ..............................................................................

12

2.3

Persyaratan bahan bakar untuk gasifier fixed reaktor ............................

13

2.4

Hasil analisis proksimat dan ultimat kayu borneo, asem, dan lamtorogung ...........................................................................................

29

2.5

Data analisis gas mampu bakar hasil gasifikasi .....................................

30

2.6

Ketersediaan energi dan konsumsi bahan bakar ....................................

35

2.7

Keseimbangan termal pada gasifier .......................................................

36

3.1

Nilai perhitungan entropi dan entalpi gas buang....................................

51

3.2

Data gas buang gasifikasi sebagai pembanding .....................................

52

3.3

Dimensi alat penukar kalor ....................................................................

53

3.4

Perbandingan karakteristik fluida ..........................................................

55

3.5

Perbandingan kinerja alat penukar kalor ................................................

56

3.6

Data perhitungan eksergi berdasarkan data simulasi .............................

57

3.7

Data perhitungan eksergi berdasarkan data rata-rata uji coba ...............

57

4.1

Perhitungan kebutuhan energi berdasarkan pendekatan kimia ..............

78

4.2

Data suhu hasil uji generator, metanol, fraksi air, dan silikagel ............

81

4.3

Data suhu hasil uji masa air panas, generator, dan metanol selama 135 menit.......................................................................................................

82

4.4

Perhitungan kebutuhan energi desorpsi .................................................

82

4.5

Data laju desorpsi antara metanol-silikagel ...........................................

88

4.6

Data perhitungan eksergi berdasarkan data hasil uji ..............................

90

4.7

Data perubahan suhu air, silikagel, dan generator .................................

92

4.8

Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh ...................................

94

xv

DAFTAR GAMBAR Halaman 1.1

Skenario kebutuhan energi di Indonesia 2002-2025. .............................

2

1.2

Potensi biomassa di Indonesia (Sumber : Dephut.2000) .....................

3

2.1

Perubahan senyawa kimia pembakaran celulosa, (Prasad,1985) ..........

14

2.2

Hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu .................................

15

2.3

Skema zona gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah ......

18

2.4

Skema kesetimbangan energi termal di gasifier.....................................

19

2.5

Proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara ...........................

25

2.6

Kayu Lamtorogung (Leucena wood)......................................................

27

2.7

Kayu Borneo (Borneo wood).................................................................

28

2.8

Kayu asem (Tamarind wood)................................................................

28

2.9

Pola suhu terhadap waktu pengujian (a) kayu borneo, (b) kayu asem, dan (c) kayu lamtorogung ......................................................................

32

2.10 Pola distribusi suhu hasil uji dan simulasi .............................................

33

2.11 Profil suhu pada zona oksidasi ...............................................................

34

2.12 Profil suhu pada zona reduksi ................................................................

34

2.13 Profil suhu pada zona pirolisis ...............................................................

34

3.1

Model fisik alat penukar panas aliran silang tidak campur ....................

41

3.2

Skema perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor .............

42

3.3

Alur proses pindah panas di alat penukar kalor .....................................

43

3.4

Diagram alir perhitungan eksergi hilang di alat penukar panas .............

48

3.5

Hubungan perubahan suhu terhadap kinerja APK, data 30-08-2007......

58

3.6

Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 26-08-2007..........

59

3.7

Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 29-08-2007..........

59

3.8

Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data 30-08-2007..........

59

4.1

Instalasi mesin pendingin adsorpsi ........................................................

65

4.2

Diagram P-T-X ......................................................................................

66

4.3

Model fisik generator desorpsi ...............................................................

71

4.4

Perbandingan energi dibutuhkan selama proses desorpsi ......................

83

4.5

Persentase energi diserap metanol-silikagel (metode 1) terhadap air ....

84

4.6

Persentase energi diserap metanol-silikagel (metode 2) terhadap air ....

84

xvi 4.7

Energi panas yang diterima metanol, data 26-08-2007..........................

85

4.8

Energi panas yang diterima metanol, data 29-08-2007..........................

85

4.9

Energi panas yang diterima metanol, data 30-08-2007..........................

86

4.10 Energi panas yang diterima fraksi air, data 26-08-2007 ........................

86

4.11 Energi panas yang diterima fraksi air, data 29-08-2007 ........................

87

4.12 Energi panas yang diterima fraksi air, data 30-08-2007 ........................

87

4.13 Grafik konsentrasi metanol terhadap silikagel .......................................

89

4.14 Perubahan efisiensi eksergi terhadap waktu........................................ ..

92

5.1 5.2

Skema gasifikasi biomassa dengan umpan kayu untuk pembangkit listrik dan pendingin adsorpsi ................................................................

97

Bobot pengunaan energi pada proses desorpsi.......................................

101

xvii

DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Simulasi zona oksidasi gasifier downdraft dengan umpan kayu ...............

111

2. Simulasi zona reduksi gasifier downdraft dengan umpan kayu .................

112

3. Penyelesaian secara numerik koefisien perpindahan panas dalam gasifier 113 4. Menetukan parameter matriks sifat fisik dan termodinamik gasifier ......... 114 5. Perhitungan koefisien pindah panas ...........................................................

115

6. Menetukan parameter sifat fisik dan termodinamik gasifier unggun tetap

116

7. Model fisik APK exchanger gas buang......................................................

117

8. Perhitungan performansi APK gas buang ..................................................

118

9. Perhitungan pressure drop .........................................................................

119

10 Perhitungan parameter kinerja APK gas buang.......................................... 120 11 Simulasi dengan persamaan polynomial pada APK gas buang.................

121

12 Optimasi pemilihan diameter pipa .............................................................

122

13 Data pengujian APK gas buang.......................... .......................................

123

14 Sifat termodinamik bahan bakar.............................................................. ..

127

15 Perhitungan efisiensi eksergi APK data simulasi.......................................

128

16 Perhitungan energi dan efisiensi termal ......... ............................................ 129 17 Sifat termodinamik gas buang ................ .................................................... 134 18 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 1)…………………………………………... ..........

135

19 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 2) ....... …………………………………………….. 136 20 Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi (data 3) ………………………………………………….. 137 21 Perhitungan efisiensi eksergi APK data hasil uji .......................................

138

22 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 1)......................

139

23 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 2)......................

140

24 Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu (data 3)......................

141

25 Perhitungan koefisien pindah panas generator, kondensor, evaporator .....

142

26 Biaya pembuatan gasifikasi Biomassa .......................................................

144

27 Perhitungan arus kas .......................................................... .......................

145

28 Perhitungan biaya bunga .......................................................... .................

146

xviii 29 Perhitungan EAT dan proceeds .................................................................

147

30 Perhitungan WACC .......................................................... ........................

148

31 Perhitungan NPV .......................................................... ............................

149

32 Perhitungan IRR .......................................................... ..............................

150

33 Perhitungan PP .......................................................... ................................

151

34 Perhitungan cavital budgetting decision ....................................................

152

35 Perhitungan tekno ekonomi........................................................................

153

36 Digram alir perhitungan performansi APK data simulasi ..........................

158

37 Digram alir perhitungan performansi APK data hasil uji ..........................

159

38 Gambar potongan gasifier .........................................................................

160

39 Photo Dokumentasi Penelitian ...................................................................

161

xix

DAFTAR ISTILAH A(T)

= variable, fungsi dari suhu adsorbent

Ac

= luas penampang pipa, m2

Ao

= luas permukaan sentuh pipa, m2

Ar

= luas penampang, m2

As B B (T) C

= = = =

cp

= panas jenis gas, Kj/kg.K

cp, cold

= panas jenis fluida dingin, J/kg. K

cp,m (T)

= panas spesifik metanol pada tekanan konstan, J/kg.K

cpg

= panas jenis generator, J/kg.K

cpsg

= panas jenis silikagel, J/kg K

cv,m (T) D

= panas spesifik cairan metanol pada volume konstan, J/kg.K = diameter gasifier, mm

Dc De di do

= = = =

dp

= diameter partikel, micron

dp

= diameter takikan, m

dp Ds

= diameter takikan, m = diameter cangkang, m

Ehot

= eksergi tersedia pada sisi air panas, J

Ew1,in

= energi air di inlet selubung dalam generator, J

Ew1,out

= energi air di oulet selubung dalam generator, J

Ew1,w2, in

= eksergi tersedia air panas di sisi inlet generator desorpsi

Ew1,w2, out

= eksergi air panas di sisi outlet generator desorpsi

Ew2,in

= energi air di inlet selubung luar generator, J

Ew2,out

= energi air di oulet selubung luar generator, J

Ex C,in

= eksergi fluida dingin di sisi inlet, W

Ex C,out

= eksergi fluida dingin di sisi outlet , W

Ex H,in

= eksergi tersedia fluida panas di sisi inlet, W

Ex H,out

= eksergi hilang fluida panas di sisi outlet, W

luas penampang aliran cangkang, m2 jarak antara baffle variable, fungsi dari suhu adsorbent jarak antara permukaan luar pipa, m

diameter cyclone, m diameter equivalent cangkang, m diameter dalam pipa, m diameter luar pipa, m

xx Ex,loss

= eksergi hilang, W

Exc f

= eksergi diserap oleh fluida dingin, W = gesekan fluida di sisi pipa

g h

= percepatan gravitasi, m/s2 = lebar gasifier, m

h C,in

= entalpi fluida dingin di sisi inlet, J/kg

h C,out

= entalpi fluida dingin di sisi outlet, J/kg

h H,in

= entalpi fluida panas di sisi inlet, J/kg

h H,out

= entalpi fluida panas di sisi outlet, J/kg

h1

= entalpi gas mampu bakar masuk, kJ/kg

h2

= entalpi udara masuk, kJ/kg

h3 Ha ha Hd hd

= = = = =

Hf

= tinggi gasifier, m

hi

= koefisien perpindahan panas fluida di sisi pipa, W/m2.K

Hig

= nilai kalor campuran gas dengan udara, kJ/m3

Hmf

= tinggi minimum gasifier, m

ho ho hw1,in

= koefisien perpindahan panas di sisi luar pipa, W/m2.K = entalpi lingkungan, J/s.kg entalpi air panas di sisi inlet selubung dalam generator desorpsi, = J/kg

hw1,in

= entalpi air di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg

hw1,out

= entalpi air di sisi outlet selubung dalam generator, J/kg entalpi air panas di sisi outlet selubung dalam generator = desorpsi, J/kg

hw1,out hw2,in hw2,in hw2,out

entalpi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kJ/kg panas laten adsorpsi, J/K panas laten jenis adsorpsi, J/kg.K panas laten desorpsi, J/K panas laten jenis desorpsi, J/kg.K

= entalpi air di sisi inlet selubung luar generator, J/kg entalpi air panas di sisi inlet selubung luar generator desorpsi, = J/kg

hw2,out kt L L m

= entalpi air di sisi outlet selubung luar generator, J/kg entalpi air panas di sisi outlet selubung luar generator desorpsi, = J/kg = koefisien konduksi bahan pipa, W/m.K = panjang gasifier, m = panjang per pipa, m = jumlah mol, mol

m

= jumlah mol per jam dari masing-masing gas N2 dan O2, kg mol

xxi m1

= laju aliran gas mampu bakar masuk, kg/s

m2

= laju aliran udara masuk, kg/s

m3

= laju aliran campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kg/s

mc

= laju masa fluida dingin, kg/s

mg

= masa generator, kg

mh, in

= laju masa fluida panas di sisi inlet, kg/s

mh, out ms

= laju masa fluida panas di sisi outlet, kg/s = laju masa fluida di sisi cangkang, kg/s

msg

= massa adsorben silika gel, kg.

mw1,in

= masa air keluar dari selubung dalam generator, kg

mw1,in

= masa air masuk ke selubung dalam generator, kg

mw2,in

= masa air keluar dari selubung luar generator, kg

mw2,in Nt NTU Nut P P PR Prs Pt Q

= = = = = = = = = =

Q1

masa air masuk ke selubung luar generator, kg jumlah pipa, pcs number transfer unit alat penukar kalor number transfer unit di sisi pipa daya keluaran yang diukur pada terminal generator, kJ/h tekanan dari adsorben (silica gel/generator), Pa rasio antara pipa prandtl number di sisi cangkang jarak antara dua titik pusat pipa yang berdekatan, m kemampuan pindah panas alat penukar kalor, W panas sensibel yang diperlukan oleh silikagel selama proses = desorpsi, J

Q2

= panas sensibel yang diperlukan generator selama proses desorpsi, J

Q3

panas sensibel yang dibutuhkan metanol untuk meningkatkan = suhu awal menjadi suhu penguapan selama proses desorpsi,J

Qcold Qdes

= kalor yang diterima di sisi fluida dingin, W Energi yang dibutuhkan metanol , silika gel dan genertor = selama proses desorpsi, J

Qg

= panas sensibel generator, J

Qhot

= panas yang dilepas oleh fluida panas, W

Qm

= panas sensibel metanol, J

Qsg R R

= panas sensibel silikagel, J = jari-jari gasifier, m = tetapan gas untuk uap metanol energi reaksi pada suhu stándar yang terjadi di dalam ruang = bakar, kJ/h = bilangan renold di sisi cangkang

R298K Res

xxii Ret

= reynold number di sisi pipa

s C,in

= entropi fluida dingin di sisi inlet, J/kg.K

s C,out

= entropi fluida dingin di sisi outlet, J/kg.K

s H,in

= entropi fluida panas di sisi inlet, J/kg.K

s H,out

= entropi fluida panas di sisi outlet, J/kg.K

s1

= entropi gas mampu bakar masuk, kJ/kg.K

s2

= entropi udara masuk, kJ/kg.K

s3

= entropi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kJ/kg.K

Sc Sc1

= laju volume energi panas hasil dari reaksi pembakaran, W/m3 laju volume energi panas yang dihasilkan oleh reaksi = pembakaran pada sisi masuk reaktor, W/m3

Sgen

= total entropi pembentukan di generator desorpsi, J/kg.K

Sin so

= total entropi masuk pada generator desorpsi, J/kg.K = entropi lingkungan, J/kg.K

Sout

= total entropi keluar pada generator desorpsi, J/kg.K

sw1,in sw1,out

= entropi air panas di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg.K entropi air panas di sisi outlet selubung dalam generator, = J/kg.K

sw2,in

= entropi air panas di sisi inlet selubung luar generator, J/kg.K

sw2,out T T T T

= = = = =

T1

= suhu masuk gasifier, °C

T1

= suhu udara masuk ke unit pencampur, K

Ta1 Tc,i Tc,o Tg Tg

= = = = =

suhu akhir proses adsorpsi (pendinginan), oC suhu fluida dingin masuk, K suhu fluida dingin keluar, K kenaikan suhu generator, K kenaikan suhu metanol, K

Tg1 Th,i Th,o To

= = = =

suhu akhir proses desorpsi (pemanasan), oC suhu fluida panas masuk, K suhu fluida panas keluar, K suhu lingkungan, K

To

= suhu lingkungan, °C

Ts

= suhu jenuh dari refrigeran, °C

U

= pindah panas menyeluruh, W/m2.K

entropi air panas di sisi outlet selubung luar generator, J/kg.K suhu dari adsorben °C suhu gas di cyclone, K suhu keluar gasifier, °C suhu adsorben, K

xxiii Umf Us v

= kecepatan minimum yang diijinkan, m/s = kecepatan gas yang diijinkan untuk gasifikasi, m/s = kecepatan gas masuk, m/s

v1

= superficial gas velocity, m/s

VCH4

= fraksi volume metana dalam gas

VCO

= fraksi volume karbon monoksida didalam gas.

VH2 vt w

= fraksi volume hidrogen dalam gas = kecepatan fluida di sisi pipa, m/s = laju masa, kg/s

Wrev

= kerja reversible per waktu, kW

X1

= fraksi metanol pada suhu Ta2-Tg1

X2

= fraksi metanol pada suhu Tg1-Tg2

Xdestroyed

= total eksergi pemusnahan pada generator desorpsi, J

Xin

= total eksergi masuk pada generator desorpsi, J

Xout

= total eksergi keluar pada generator desorpsi, J

ΔH

= nilai kalor pembakaran, kJ/m3

ΔH1

= entalphi udara yang masuk unit pencampur, kJ/kg

ΔH2

= entalphi gas hasil gasifikasi yang masuk unit pencampur, kJ/kg

ΔH3

= entalphi gas buang yang keluar motor diesel, kJ/kg

ΔH4 ΔLMTD ΔP

= entalphi yang dibawa oleh fluida pendingin, kJ/kg = Log mean temperature difference = kerugian tekanan gas di cyclone, Pa

ΔSsistem

= perubahan entropi sistem di generator desorpsi, J/kg.K

Δtcold ΔUsilikagel-

= perubahan suhu fluida dingin, K

MeOH-Gen

= perubahan energi dalam silikagel-metanol-generator, J

ΔUsistem

= Perubahan energi dalam silikagel-metanol, J

Δxsistem ε

= perubahan eksergi pada sistem generator desorpsi, J = efektivitas alat penukar kalor, %

ηEx μ μs μt

= = = =

ρ1

= densitas bahan yang dibakar, kg/m3

ρg

= massa jenis gas, kg/m3

ρp

= masa jenis partikel, kg/m3

ρs

= massa jenis partikel gas, kg/m3

efisiensi eksergi, % viskositas kinematik gas, kg/m.s viskositas fluida di sisi cangkang, kg/m.s viskositas fluida di sisi pipa, kg/m.s

xxiv ρt

= masa jenis fluida di sisi pipa, kg/m3

Фm

= laju aliran gas stokiometrik pada gasifier, m3/s