TEKNOLOGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS TERPURIFIKASI YANG BERASAL DARI SAMPAH PERKOTAAN

1016: Seno D. Panjaitan dkk.

EN-83

TEKNOLOGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS TERPURIFIKASI YANG BERASAL DARI SAMPAH PERKOTAAN Seno D. Panjaitan∗ , Sukandar, Berlian Sitorus, dan Yandri Universitas Tanjungpura Jl. Ahmad Yani, Pontianak 78124 Telepon (0561) 739630 ∗

e-Mail: [email protected]

Disajikan 29-30 Nop 2012

ABSTRAK Makalah ini menyajikan hasil penelitian terkait metoda dan teknologi konversi energi listrik berbahan bakar biogas yang dihasilkan melalui fermentasi anaerobik sampah kota dalam landfill skala pilot. Biogas yang dihasilkan memiliki konsentrasi gas metana (CH4 ) sebesar ± 58,5% Volume tanpa adsorben dan 69-70,5% volume dengan beberapa jenis adsorben, dengan laju alir biogas 53-75 ml/menit. Beberapa jenis adsorben yang berbahan dasar kaolin-zeolit dan cangkang sawit yang digunakan untuk menyerap gas-gas lain selain CH4 telah disintesis dan diujikan terhadap biogas yang dihasilkan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa adsorben berbahan dasar cangkang sawit dan diimpregnasi dengan senyawa KI dan ZnO memiliki kemampuan terbaik dalam mengadsorbsi gas lain yakni CO , CO2 dan H2 S dalam biogas. Pengujian generator yang dimodifikasi berbahan bakar biogas dilakukan dengan beban listrik resistif lampu pijar 100 W, 200 W dan resistif-induktif pompa air 125 W. Dari hasil yang diperoleh, nilai tegangan listrik yang dihasilkan telah memenuhi standard PLN, ANSI C84.1-2011, dan/atau darurat, sementara itu daya yang dihasilkan memiliki karakteristik yang baik. Dari hasil perhitungan tekno-ekonomi dapat dinyatakan bahwa investasi yang akan dilakukan dengan metoda pengolahan yang diusulkan adalah layak untuk dilakukan. Kata Kunci: Biogas, sampah kota, energi terbarukan, bio-energi, landfill.

I.

PENDAHULUAN

Biogas merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat dikonversi menjadi energi listrik. Gas tersebut dapat dihasilkan melalui proses penumpukan (landfill) sampah organik perkotaan yang juga dapat mengurangi pencemaran lingkungan. Gas metana (CH4 ) memiliki komposisi antara 40-70%. Apabila CH4 <65%, maka umumnya pemanfaatan biogas hanyalah terbatas sebagai bahan yang layak dibakar untuk keperluan kompor gas. Purifikasi CH4 perlu dilakukan agar konsentrasinya dapat meningkat diatas 65%.[1] Adapun teknik purifikasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah adsorbsi. Adsorpsi merupakan proses dimana molekul Volatile Organic Compound mengalami kontak dengan permukaan dari suatu padatan yang berfungsi sebagai adsorben dan berikatan melalui gaya intermolekular yang lemah.[2, 3] Secara umum, unsur dalam sampah yang dapat dimanfaatkan menjadi biogas adalah sebesar 69% yaitu 42% sampah organik dan 27% sampah sisa makanan. Sampah kota umumnya sangat besar kuantitasnya. Sebagai salah satu contoh, sampah yang masuk ke Tempat Pembuatan Akhir (TPA) sebesar ±200-250 ton/hari,

83% sampah organik dan 17% sampah anorganik. Namun hal ini belum dimanfaatkan untuk menghasilkan energi, demikian juga pada banyak daerah lainnya. Masalah Iptek yang umumnya terjadi di TPA adalah sistem pengumpulan biogas yang tidak sempurna sehingga produksi CH4 menjadi rendah selain tidak tersedianya teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBg) yang layak untuk TPA khususnya. Hal tersebut membuat kapasitas energi yang seharusnya dapat dimanfaatkan oleh masyarakat dari TPA menjadi tidak tersedia. Disamping itu, lepasnya biogas seperti CH4 ke udara akan menambah efek negatif terhadap lingkungan dan dapat membahayakan masyarakat. Di sisi lain, masalah energi listrik merupakan isu yang sangat penting saat ini. Rasio elektrifikasi nasional tahun 2011 baru sekitar 72% dan kalimantan Barat berkisar 63,74%. Hal ini disebabkan oleh semakin mahalnya dan terbatasnya bahan bakar minyak untuk pembangkitan listrik. Berkaitan dengan hal tersebut di atas, penelitian yang tersaji dalam makalah ini bertujuan membangun kemampuan domestik penyediaan bahan aktif untuk pemurnian biogas yang akan menjadi bahan bakar gen-

Prosiding InSINas 2012

1016: Seno D. Panjaitan dkk.

EN-84 erator listrik dan pengembangan teknologi PLTBg dari sampah kota. Perancangan sistem konversi energi listrik dari sampah dan mendesain landfill penghasil biogas serta adsorben untuk meningkatkan kualitas biogas yang dihasilkan disajikan dalam makalah ini. Dengan tersedianya teknologi ini, diharapkan dua isu strategis dapat dipecahkan, yaitu lingkungan dan ketersediaan energi yang kedepannya akan ikut meningkatkan rasio elektrifikasi.

II.

B.

Karakterisasi Sampah kota (Sampel) Pada penelitian ini, karakterisasi sampah kota yang digunakan disajikan pada TABEL 1. Dalam penelitian ini dibuat landfill skala laboratorium dan skala pilot. Makalah ini akan difokuskan pada skala pilot. Total sampah yang dimuat ke dalam landfill skala pilot adalah ±16 ton. TABEL 1: Hasil Analisis Sampah Kota

No 1 2 3 4 5 6

METODOLOGI

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah survei, perancangan dan eksperimen. Sampel diambil dari kota Pontianak (Pasar Flamboyan dan TPA Batu Layang. Landfill skala Pilot di tempatkan pada lokasi di area Fakultas Teknik Untan. Perancangan, eksperimen dan analisis dilakukan di Lab. Teknik Kendali UNTAN, Lab. Kimia FMIPA UNTAN dan Lab. Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) ITB. Prosedur penelitian adalah sebagai berikut:

Parameter Nitrogen-Total C-Organik Phospat Nilai kalor C/N Kadar air

Nilai 0,59 % BK 22,27 % BK 523,032 mg/Kg BK 4418,22 Cal/gr 37,74 % BK 37,28 %

• Survei dan identifikasi persoalan TPA dalam menghasilkan biogas untuk dikonversi menjadi listrik, • Rancang bangun landfill skala pilot untuk fermentasi anaerobik sampah kota, • Pengisian landfill skala pilot dengan sampah organik kota terpilah dan melakukan karakterisasi sampah, • Pembuatan prototipe PLTBg dengan memodifikasi generator bensin agar dapat dijalankan dengan bahan bakar Liquified Petroleum Gas (LPG) dan Biogas, • Analisis fase fermentasi pada landfill skala pilot (hidrolisis, acidogenesis, dan metanogenesis) melalui pengambilan data COD dan pH dari lindi, • Analisis GSA Adsorben (Kaolin-Zeolit, Impregnasi KI, Impregnasi KI-ZnO), • Analisis aliran gas dan Konsentrasi Biogas (CH4 , CO2 , H2 S, CO) baik tanpa atau dengan adsorben, • Pengujian generator listrik dengan tiga bahan bakar (Bensin, LPG, dan Biogas hasil fermentasi sampah) dan pengukuran parameter listrik.

III.

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Identifikasi TPA yang telah disurvei tidak menghasilkan gas CH4 sampai saat ini meskipun sudah ditutup kurang lebih beberapa tahun. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh konstruksi pipa yang terendam karena berada di bawah permukaan lindi, karakteristik sampah, dan sistem pengumpulan biogas yang tidak sempurna.

G AMBAR 1: Konstruksi dan Pengisian Landfill Skala Pilot

Adapun konstruksi landfill skala pilot dan sebagian proses pengisian disajikan pada G AMBAR 1. C.

Biogas Hasil pengukuran konsentrasi biogas di landfill skala pilot pada bulan ke-4 dengan variasi adsorben yang berbeda hasil modifikasi dari bulan-bulan sebelumnya disajikan pada G AMBAR 2. Dari G AMBAR 2 terlihat bahwa konsentrasi gas CH4 tanpa adsorben telah mencapai 58,5% volume, namun setelah dilewatkan pada beberapa jenis adsorben konsentrasi CH4 meningkat hingga mencapai 68,5 saat menggunakan adsorben yang merupakan campuran kaolin-zeolit dengan rasio 3:1, sedangkan saat biogas dilewatkan pada adsorben yang merupakan campuran kaolin:zeolit dengan perbandingan kaolin:zeolit = 1:6 konsentrasi CH4 adalah sebesar 69,5% volume. Dari hasil analisis ini dapat dinyatakan bahwa adsorben campuran kaolin-zeolit merupakan adsorben yang baik dalam meningkatkan konsentrasi CH4 terutama campuran kaolin: zeolit dengan rasio 1:6. Prosiding InSINas 2012

1016: Seno D. Panjaitan dkk.

G AMBAR 2: Hasil pengukuran kandungan biogas pada landfill skala pilot

Adsorbsi gas yang sama juga dilakukan dengan menggunakan karbon aktif yang dibuat dari cangkang sawit, yaitu: a) Impregnasi dengan senyawa logam Kalium Iodida (KI), b) Impregnasi dengan senyawa logam Kalium Iodida (KI) yang dilanjutkan dengan penambahan logam ZnO. Kedua jenis karbon aktif a) dan b) menunjukkan hasil yang sedikit berbeda, dimana adsorbsi dengan a) dapat meningkatkan konsentrasi CH4 hingga mencapai ±69%, sedangkan karbon aktif yang berasal dari cangkang dan mengalami perlakukan b) dapat meningkatkan konsentrasi gas CH4 hingga mencapai ±70,5% volume. Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa adsorben yang terbaik dalam meningkatkan konsentrasi gas CH4 adalah karbon aktif yang berasal dari cangkang sawit dan melalui perlakuan impregnasi dengan senyawa KI yang dilanjutkan dengan senyawa ZnO. Selain pengukuran gas CH4 , dilakukan juga pengukuran gas CO (carbon monoksida), CO2 (karbon dioksida) dan Hidrogen Sulfida (H2 S). Dari gambar terlihat bahwa rata-rata kandungan gas secara berurutan tanpa absorben pada landfill skala pilot secara berurutan untuk CH4 ,CO2 , CO dan H2 S adalah 58,5%; 13,1; 7,42 dan 1,76 ppm. Adsorben yang menaikan gas CH4 paling tinggi adalah absorben karbon aktif komersial menjadi 70,5% tetapi menurunkan CO dan CO2 serta menaikkan H2 S. Semakin tinggi CH4 dan semakin rendah CO2 , CO dan H2 S, semakin baik biogas dan absorbennya. Absorben yang terbaik dalam menurunkan paling rendah gas CO2 dan H2 S adalah karbon aktif dari cangkang dengan aktivasi kimia menjadi 11,4 ppm dan 0,83 ppm tetapi menaikkan gas CO. Absorben yang menurunkan paling rendah CO adalah absorben kaoli-zeolit dengan rasio 1:1 menjadi 6,75 ppm tetapi menaikan konsentrasi gas H2 S.

EN-85 Pada pengukuran tanpa menggunakan adsorben konsentrasi gas CO2 adalah sebesar 13,1 ppm, berkurang menjadi 12; 12,7; 12,3 dan 11,4 ppm setelah menggunakan adsorben kaolin:zeolit = 1:1; kaolin: zeolit = 3:1; karbon aktif komersial dan karbon aktif dari cangkang sawit yang diaktivasi secara kimia. Dapat dikatakan berasal dari cangkang sawit dan diaktivasi kimia mampu menurunkan kadar CO2 sebesar 13. Pengukuran tanpa menggunakan adsorben menunjukkan nilai rata-rat bahwa konsentrasi H2 S pada landfill skala pilot adalah 1,76 ppm. Setelah biogas tersebut konsentrasi H2 S berkurang menjadi <0,83 ppm untuk adsorben campuran kaolin-zeolit masing-masing untuk rasio kaolin : zeolite = 3:1 dan karbon aktif yang beradal dari cangkang sawit yang telah diaktivasi secara kimia. Di sisi lain, aliran gas merupakan faktor penting dalam melihat volume dari biogas dari landfill. G AM BAR 3 menyajikan grafik rata-rata aliran biogas yang langsung diukur pada landfill skala pilot (±16 ton sampah) dalam penelitian ini. Aliran biogas berkisar antara 53-75 ml/menit. Jika kita ambil nilai aliran minimal (53 ml/menit), dalam satu jam aliran biogasnya adalah sebesar 3.180 ml/jam atau 0,0318 m3 /jam. Dengan waktu yang lebih panjang didapat volume gas sebesar 0,7632 m3 /hari atau 278,568 m3 /tahun. Adapun perkiraan waktu produksi gas dari volume sampah ±16 ton adalah antara 3,5-5 tahun.

G AMBAR 3: Hasil Pengukuran Aliran Biogas pada Landfill skala Pilot

D. Parameter Elektris Analisis komersialisasi secara kualitatif maupun kuantitatif dari sistem pembangkit biogas menggunakan generator set berbasis motor induksi disajikan pada[4] dimana bibliografi aplikasi generator induksi untuk sistem-sistem energy nonkonvensional disajikan pada.[5] Analisis umum mengenai biogas dari landfill disajikan secara singkat di[6] tanpa data-data penunjang. Sementara itu, analisis proses biogas melalui pemodelan, numeris atau simulasi disajikan pada.[4, 7–9] Prosiding InSINas 2012

1016: Seno D. Panjaitan dkk.

EN-86 Pada riset ini modifikasi dilakukan pada sistem kaburator bensin sehingga memiliki tabung penstabil tekanan gas (pressure stabilizer) dan pencampur udaragas (air-gas mixer) pada sistem PLTBg. Pressure stabilizer berfungsi untuk mengatur tekanan gas agar supaya dapat tetap stabil meskipun kebutuhan gas untuk pembakaran berubah-ubah, sedangkan air-gas mixer ditujukan untuk mencampur biogas dan udara. Pengujian terhadap Biogas dari sampah kota sebagai bahan bakar generator listrik. Beberapa hasil pengujian dengan beban resistif lampu 100 Watt dan lampu 200 Watt serta beban resistif induktif Pompa 125 Watt disajikan. Pengukuran parameter listrik dilakukan dengan menggunakan Power Quality Analyzer (PQA) Fluke 43B.[11] Pengujian generator dengan beban LPG untuk lampu 100 Watt mengkonsumsi gas 1,5 gram/menit dengan putaran rotor generator 2.830 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disajikan pada G AMBAR 4 Terlihat bahwa tegangan kerja sebesar 229,8 Volt masih sesuai dengan standar PLN dan frekuensi sebesar 46 Hz. Arus kerja adalah sebesar 0,4 Ampere. Daya aktif (91 W) dan daya semu (92) menunjukkan nilai yang mendekati sama.

G AMBAR 4: Hasil Pengukuran beban lampu 100 Watt

Di samping itu faktor daya (PF) adalah 1. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 1 sama dengan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik, dimana distorsi harmonik akan terjadi jika PDF memiliki selisih (baik lebih maupun kurang) lebih dari 10% PF dengan faktor daya. Daya reaktif terlihat 2 VAR, yang artinya terdapat sedikit beban induktif dari elemen lampu. Pengujian generator dengan beban LPG untuk lampu 200 Watt mengkonsumsi gas 2 gram/menit dengan putaran rotor generator 2.366 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disajikan pada G AMBAR 5 Terlihat bahwa tegangan kerja sebesar 229 Volt masih sesuai dengan standar PLN dan ANSI C84.1-2011[10] dan frekuensi sebesar 39,3 Hz. Arus kerja adalah sebesar 0,83 Ampere. Daya aktif (127 W) dan daya semu (128) menunjukkan nilai yang mendekati sama.

G AMBAR 5: Hasil Pengukuran Beban Lampu 200 Watt

Di samping itu faktor daya (PF) adalah 1. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 1 sama dengan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik. Daya reaktif terlihat 6 VAR, yang artinya terdapat sedikit beban induktif dari elemen lampu. Pengujian generator dengan beban Biogas untuk pompa 125 Watt (spesifikasi pompa) mengkonsumsi gas 3 gram/menit dengan putaran rotor generator 1,364 rpm. Adapun data parameter listrik dari PQA disajikan pada G AMBAR 6 terlihat bahwa tegangan kerja sebesar 224 Volt masih sesuai standar PLN dan ANSI C84.1-2011[10] dan frekuensi sebesar 37,7 Hz. Arus kerja adalah sebesar 1,997 Ampere. Daya aktif (162 W) dan daya semu (249 VA) menunjukkan adanya perbedaan yang agak besar, akibatnya nilai faktor daya tidak sama dengan 1 tetapi 0,65. Hal ini disebabkan adanya beban induktif yang cukup besar. Sementara itu perpindahan faktor daya menunjukkan nilai 0,67 hampir sama dengan faktor daya (PDF). Hal ini menunjukkan tidak ada distorsi harmonik, dimana distorsi harmonik akan terjadi jika PDF memiliki selisih (baik lebih maupun kurang) lebih dari 10% PF dengan faktor daya. Daya reaktif terlihat 179 VAR, yang artinya terdapat cukup besar beban induktif dari elemen lilitan pada motor penggerak pompa. E.

Perhitungan Tekno-ekonomi Perhitungan tekno-ekonomi untuk potensi penerapan PLTBg dari sampah kota selama 5 tahun dan investasi awal sebesar Rp. 27.775.000 didapatkan Net Present Value (NPV), Profitability Index (PI), Pay Back Period (PBP) dan Internal Rate of Return (IRR). Didapatkan hasil-hasil sebagai berikut: • NPV = Rp. 33.203.893 (Nilai Positif berarti layak untuk investasi), • PI = 2,195 (layak jika ≥ 1, tidak layak jika <1), • PBP = 4,41 tahun (layak karena di bawah umur ekonomis 5 tahun) • Perhitungan nilai IRR dengan asumsi suku bunga 8% menunjukkan hasil yang lebih tinggi yakni 10,5%, sehingga dinyatakan layak. Prosiding InSINas 2012

1016: Seno D. Panjaitan dkk.

EN-87

[7]

G AMBAR 6: Hasil Pengukuran Beban resistif-induktif pompa 125 Watt

IV.

KESIMPULAN

Dari beberapa adsorben hasil sintesis yang telah diuji, disimpulkan bahwa hampir seluruh jenis adsorben yang disintesis dan diujikan mampu meningkatkan kadar metana diatas 65%. Disamping itu, adsorben juga mengurangi kadar gas-gas selain metana yaitu CO2 , H2 S dan CO. Dari hasil yang telah disajikan, potensi biogas dari sampah kota cukup besar untuk dapat dikonversi menjadi energi listrik. Dari perhitungan tekno-ekonomi (NPV, PI, PBP dan IRR) untuk landfill skala pilot dan dengan produksi listrik yang sesuai dengan produksi biogas dari hasil penelitian, investasi layak dilakukan. Kualitas listrik yang dihasilkan cukup baik, dimana tegangan dan kualitas daya telah memenuhi standar (PLN dan ANSI C84.1-2011). Perbaikan nilai frekuensi dan pengembangan untuk skala yang lebih besar merupakan target dalam penelitian lanjutan.

[8]

[9]

[10]

[11]

Silva, L.S.;Electric energy generation from landfill biogas Case study and barriers, International IEEE Conference onElectrical and Control Engineering (ICECE), 2011, pp. 5250-5253. Jiang Yao-hua; Xiong Shu-sheng; Shi Wei; He Wenhua; Zhang Tian; Lin Xian-ke; Gu Yun; Lv Yinding; Qian Xiao-jun; Ye Zong-yin; Wang Chongming; Wang Bei;Research of Biogas as Fuel for Internal Combustion Engine, Power and Energy Engineering Conference, 2009, pp. 1-4. Bardi, S.; Astolfi, A.;Modeling and Control of a Waste-to-Energy Plant [Applications of Control], IEEE Transaction on Control System, Vol. 30, Issue 6, 2010, pp. 27-37. Zhijun Li; Yu Yang; Xiujuan Bao; Simulation and analysis of the third-order model of synchronous generator based on MFC, International Conference onMechatronics and Automation, 2009, pp. 42524256. American Nasional Standard Institute (2011), ANSI C84.1-2011: Electric Power System and Measurement Voltage Ratings (60 Hertz), Revises NEMA-ANSI C84.1-2006. Fluke Corporation, (2008), Fluke 43B Power Quality Analyzer Users Manual.

DAFTAR PUSTAKA [1] Rasi, S., (2009) Biogas Composition and Upgrading to Biomethane, Dissertation of University of Jyvaskyla. [2] Isabel AAC, Lopes MSS, Nunes PMC, Mota JPB., (2008), Adsorption of natural gas and biogas components on activated carbon, Separation and Purification Technology 62, pp. 281-296. [3] Adalberto N., Juan M. M.& Jorge E. L., (2006), Treatment of biogas produced in anaerobic reactors for domestic wastewater: odor control and energy/resource recovery, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology 5:93114, 2006. [4] Li Wang; Ping-Yi Lin;Analysis of a Commercial Biogas Generation System Using a Gas EngineInduction Generator Set, IEEE Transactions onEnergy Conversion, Vol. 24, Issue 1, 2009, pp. 230-239 [5] Bansal, R.C.; Bhatti, T.S.; Kothari, D.P.; Bibliography on the application of induction generators in nonconventional energy systems, IEEE Transactions onEnergy Conversion, Vol. 18, Issue 3, 2003, pp. 433-439. [6] Garcilasso, V.P.; Velazquez, S.M.S.G.; Coelho, S.T.; Prosiding InSINas 2012