SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216
UJI VARIASI BEBAN LISTRIK DAN RASIO GAS HASIL GASIFIKASI SEKAM PADI PADA MESIN DIESEL DUAL FUEL M. Affendi, Sugiyatno, Imam Djunaedi, Haifa Wahyu Kelompok Energi, Pusat Penelitian Fisika - LIPI Jl. Sangkuriang - Kompleks LIPI, Bandung 40135, Tlp. 022-2507773, Fax 022-2503050 e-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstrak Pada tahun-tahun terakhir ini proses gasifikasi mendapat perhatian kembali di seluruh dunia, terutama untuk mengolah biomasa sebagai sumber energi alternatif yang terbarukan. Hal tersebut sejalan dengan kebijakan pemerintah dalam mendorong pemanfaatan energi alternatif, sesuai dengan peraturan presiden No. 5/2006 tentang kebijakan energi nasional, terutama dalam pengembangan skala prioritas energi terbarukan berdasarkan potensi yang tersedia serta kelayakan teknologi, finansial dan sosial juga partisipasi swasta, koperasi, BUMN, BUMD dalam investasi di bidang energi terbarukan. Jenis open core down draft gasifier merupakan jenis yang banyak dipakai dalam pengembangan rancang bangun gasifier dengan umpan sekam padi, gas hasil gasifikasi sebagai BBG digunakan untuk substitusi sebagian besar BBM mesin diesel (diesel dual fuel) pembangkit listrik. Telah dilakukan penelitian pengujian beban listrik pada mesin diesel dual fuel kapasitas terpasang 125 kVA (100 kW) dengan variasi konsumsi beban listrik dari 2 kW sampai dengan 82 kW, dan rasio gas hasil gasifikasi dengan udara 50%; 70%; dan 80% di pabrik penggilingan padi. Dari hasil pengujian diperoleh penghematan bahan bakar minyak solar untuk mesin diesel sampai 60%. Sehingga hasil uji pada penelitian tersebut dapat dimasyarakatkan penyebaran pembangkit listrik dengan diesel dual fuel di pabrik-pabrik penggilingan gabah serta di daerah sentra padi di Indonesia. Kata kunci : gasifikasi sekam padi; mesin diesel dual fuel; uji variasi beban listrik.
1. Pendahuluan Laju pertumbuhan konsumsi listrik Indonesia mencapai sekitar 14%/tahun sebelum krisis, termasuk sangat tinggi dibandingkan dengan laju rata-rata pertumbuhan konsumsi listrik Asia 7,4%/tahun dan Dunia 3,6%/tahun. Kecenderungan konsumsi energi listrik yang meningkat itu dan adanya fakta penurunan suplai energy yang berasal dari minyak bumi menuntut pengembangan teknologi baru guna memanfaatkan sumber energy alternative [Akmal, F., 2004]. Salah satu teknologi konversi bahan bakar non konvensional dan terbarukan adalah sistem gasifikasi dengan bahan bakar limbah biomassa dari pertanian, perkebunan dan kehutanan. Secara umum, gasifikasi melibatkan 4 tahapan proses berupa drying, pirolisis, oksidasi parsial dan reduksi. Drying merupakan proses penguapan kandungan air didalam biomassa melalui pemberian panas pada interval suhu 100~300⁰C. Drying dilanjutkan dengan dekomposisi termal kandungan volatile matter berupa gas dan menyisakan arang karbon, dimana proses ini biasa disebut pirolisis. Pirolisis merupakan proses eksoterm yang melepas sejumlah panas pada interval suhu 300~900⁰C. Selanjutnya sisa arang karbon akan mengalami proses oksidasi parsial, dimana proses ini merupakan proses eksoterm yang melepas panas pada interval suhu diatas 900⁰C. Panas yang dilepas dari oksidasi parsial ini digunakan untuk mengatasi kebutuhan panas dari reaksi reduksi endotermis dan untuk memecah hidrokarbon yang telah terbentuk selama proses pirolisis. Proses reduksi gas CO2 dan H2O ini terjadi pada interval suhu 400~900⁰C. Reduksi gas CO2 melalui reaksi kesetimbangan Boudouard equilibrium reaction dan reduksi gas H2O melalui reaksi kesetimbangan water-gas reaction, dimana reaksi-reaksi tersebut secara dominan dipengaruhi oleh suhu dan tekanan [Sudarmanta, B., 2010]. Pemilihan reactor gasifikasi jenis down-draft didasarkan pada rendahnya kandungan tar yang dihasilkan dibandingkan jenis updraft. Hal ini dikarenakan bahwa kandungan tar hasil pirolisis terbawa bersama gas dan kemudian masuk ke dalam proses oksidasi parsial yang mencapai suhu hingga 900⁰C, dimana pada suhu tersebut kandungan tar dimungkinkan dapat terurai menjadi senyawa yang lebih ringan. Gas hasil gasifikasi sistem JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐1
SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216 downdraft ini setelah direfinery dan didinginkan dapat langsung dimasukkan ke dalam motor diesel yang dapat dioperasikan secara dual fuel. 2. Rancang Bangun Unit Gasifikasi Unit gasifikasi relatif mudah dibuat dengan mencontoh unit yang ada [Pikiran Rakyat, 2003]. Bahan-bahan konstruksi unit gasifkasi tersedia di dalam negeri, bahkan hampir semuanya produksi dalam negeri pula. Bahan-bahan penting antara lain adalah: a. plat baja 3 mm untuk badan gasifier, b. plat baja 10 mm untuk flange, c. pipa besi, d. semen dan bata tahan api, e. bahan-bahan filter dan lain-lainnya. Pembuatan peralatannya juga sederhana, dan telah terbukti dapat dikerjakan oleh industri atau bengkel kecil. Pengerjaan pembuatan peralatan gasifikasi meliputi antara lain: pengelasan (welding), menggulung (rolling), pengerjaan mesin: bubut, bor, dan lain-lain. Perangkat Gasifikasi [Budi Raharjo, Imam, 2007] Gas yang keluar dari reaktor gasifikasi masih mengandung kotoran dan temperaturnya tinggi, karena itu perlu pengolahan lebih lanjut dengan peralatan: a. siklon untuk memisahkan debu kasar, b. filter untuk menyaring debu halus, c. pendingin gas, serta wet scrubber, d. pengendap abu-arang dalam air (sealing water) dan tar yang terkondensasi. Bentuk peralatan tersebut bermacam-macam, misalnya filter dapat dibuat dari ijuk. batu sabut kelapa dan lain-lainnya. Gas dapat didinginkan dengan semprotan air atau dilewatkan dalam pipa panjang. Sedangkan pemisahan air dan tar dapat dilakukan dalam tangki besar atau saringan. Sekam Padi Sebagai Umpan Gasifikasi Energi sekam padi dapat menghasilkan panas pembakaran sekitar 20 MJ/kg, dengan energi 1,5 kg/jam sekam padi dapat menggantikan 0,5 liter/jam bahan bakar solar, dengan harga sekam Rp 150/kg dan bahan bakar solar Rp 4500/liter, sehingga dapat dilakukan penghematan yang signifikan. Sekam padi tersusun dari atas dua bagian, berupa bahan-bahan organik dengan porsi 70%-85% berat atas dasar kering dan anorganik (mineral), komponen utama lain berupa lignin dan selulosa. Analisa proksimasi sekam padi volatile matter 57,3% – 71,3%, abu 12,9% – 28,1%, karbon tetap 12,7% – 26,7%, kadar air 10,46% dan nilai kalor kcal/kg [Affendi, M, 2008]. Gas Hasil Gasifikasi Gas hasil gasifikasi terutama terdiri dari gas-gas mempan bakar yaitu CO, H2, dan CH4 dan gas-gas tidak mempan bakar CO2, dan N2. Komposisi gas ini sangat tergantung pada komposisi unsur dalam biomassa. bentuk dan partikel biomassa, serta kondisi-kondisi proses gasifikasi. Sebagai ilustrasi komposisi gas hasil gasifikasi sekam padi bentuk jarum ukuran 1 cm adalah CO 20,1%, H2 11,3%, CH4 1,8%, CO2 % , N2 55,4% dan panas pembakaran 4350 kJ/. Gas ini dapat diumpankan ke dalam motor bakar torak maupun sebagai bahan bakar untuk pemanas [Susanto H., 2005]. Gas hasil Gasifikasi Sebagai Umpan Motor Bakar Motor bensin maupun motor diesel dapat digabungkan dengan perangkat gasifikasi untuk memanfaatkan gas hasil gasifikasi [Aziz A.A., 2006]. Untuk maksud ini, gas hasil dialirkan ke dalam aliran udara masuk motor, dengan sambungan pipa silang atau sistem injeksi. Sambungan silang sangat sederhana dan murah, sesuai untuk kapasitas rendah. Sedangkan sistem injektor agak rumit pembuatanya tetapi dapat memberikan pencampuran gas-udara yang lebih baik, dan sesuai untuk kapasilas tinggi. Disamping panas pembakarannya, gas hasil harus memenuhi persyaratan-persyaratan berikut ini agar tidak mengurangi performansi dan umur motor: a. kandungan tar tidak lebih dari 100 mg/m3, b. kandungan abu maksimum 50 mg/m3, c. ukuran debu tidak lebih dari 10 mikrometer, d. temperatur gas di bawah 40 oC Potensi limbah pertanian/kehutanan sebagai biomassa, khususnya sekam padi yang cukup besar, harus dicarikan teknologi untuk dapat memanfaatkan limbah tersebut sebagai sumber energi (alternatif). Gambar 1 merupakan alur JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐2
SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216 konversi sekam padi atas dasar pengalaman yang telah dilakukan. Uraian singkat sebagai berikut; sekam padi yang terbebas dari beras dimanfaatkan sebagai umpan gasifier (jenis open core down draft gasifier). Gas hasil gasifikasi yang dihasilkan digunakan sebagai bahan bakar motor diesel untuk keperluan penggilingan gabah.
Open Core Down Draft Gasifier
Sekam
Motor Diesel
Listrik Penggilingan Gabah
Gambar 1. Alur Konversi Sekam Padi Menjadi Energi Listrik
3. Hasil dan Pembahasan Pada awalnya dioperasikan PLTD dengan bahan bakar minyak solar saja (Diesel Single Fuel), kemudian dilakukan pembebanan listrik secara bertahap pada mesin-mesin Dryer dan Huller. Kemudian tahap berikutnya dengan pembebanan listrik yang sama, juga dilakukan dengan mengoperasikan PLTD-Gasifikasi Sekam (Diesel Dual Fuel) di ruang pabrik penggilingan padi. Pembebanan listrik (spesifikasi motor-motor listrik) sebagai berikut : Beban 0 ± 1.5 kW Beban peralatan pada PLTD-Sekam (alat ukur, pompa air, mixer reaktor) Beban 1 = 14 kW (blower hisap debu 4 kW + elevator 7.5 kW + ayakan smpah 2.2 kW) Beban 2 = 27 kW (2 x beban 1) Beban 3 = 44 kW (beban 2 + 2 x (blimbing p.padi 0.75 kW + gombah 7.5 kW) Beban 4 = 81 kW (beban 3 + 2 x (blower hawa panas 18.5 kW) Beban 5 = 103 kW (beban 4 + pemutih 22 kW) Beban 6 = 118 kW (beban 5 + friction/kupas kulit 15 kW) Beban 7 = 133 kW (beban 6 + friction/kupas kulit 15 kW) Beban 8 = 137 kW (beban 7 + blower 4 kW) Beban 9 = 152 kW (beban 8 + pemutih 15 kW) Beban 10 = 167 kW (beban 9 + pemutih 15 kW) Proses gasifikasi (jenis open core down draft gasifier) yang diawali dengan penyalaan sekam padi di bagian unggun reaktor. Proses gasifikasi berlangsung bersamaan dengan beroperasinya mesin diesel. Aliran udara untuk gasifikasi terjadi karena adanya hisapan pada sistem venturi gas buang (knalpot) mesin diesel. Bila proses gasifikasi beroperasi dengan baik, maka gas hasil gasifikasi sekam dialirkan ke mesin diesel melalui inlet udaranya yang diatur dengan damper. Pengaturan damper di bagian inlet udara mesin diesel divariasikan beberapa perlakuan (dengan istilah cekikan, yaitu menghambat aliran udara masuk sebagian dan sebagian lainnya dialirkan gas hasil gasifikasi), sebagai berikut: •
Cekikan I
: Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 50%
•
Cekikan II
: Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 70%
•
Cekikan III
: Rasio gas hasil gasifikasi dengan udara, ± 80%
Uji operasional PLTD-Sekam dilakukan pencatatan konsumsi BBM, konsumsi sekam padi, tegangan listrik, arus listrik, kemudian dilakukan pencatatan dan analisis/perhitungan beban listrik untuk menggerakkan mesin-mesin Dryer dan Huller di pabrik penggilingan gabah, serta dianalisis/diperhitungkan SFC (spesific fuel consumption) dan penghematan BBM mesin diesel, selanjutnya dilakukan analisis dengan gambar grafik (Gambar 2 dan 3) yang menunjukkan pola konsumsi BBM spesifik (SFC) terhadap besarnya beban listrik (beban 0 sampai beban 10) pada beberapa perlakuan rasio gas hasil gasifikasi dengan udara (cekikan I, II, dan III).
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐3
SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216
0.40
Konsumsi solar (l/kWh)
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Beban listrik (kW)) Diesel
Cekikan 1
Cekikan 2
Cekikan 3
Gambar 2. Grafik Konsumsi BBM (solar) Spesifik Terhadap Beban Listrik Pada Gambar 2 menunjukkan pengoperasian PLTD (Diesel Single Fuel) konsumsi BBM spesifik (SFC) antara 0,34 – 0,17 L/kWh pada beban listrik 20 – 82 kW mesin-mesin Dryer dan Huller, kondisi ini menunjukkan bahwa mesin diesel dalam keadaan prima yang mempunyai SFC rata-rata 0,25 L/kWh. Selanjutnya pengoperasian PLTD-Gasifikasi sekam (Diesel Dual Fuel) dengan cekikan I menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,31 – 0,15 L/kWh, dengan cekikan II menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,26 – 0,13 L/kWh, dan dengan cekikan III menunjukkan penurunan konsumsi BBM spesifik (SFC) sebesar 0,17 – 0,086 L/kWh, pada kondisi cekikan III ini diperoleh penghematan BBM mesin diesel sebesar 60% (mesin diesel hanya mengkonsumsi BBM solar hanya 40% saja, dan sisanya digantikan oleh BBG dari gasifikasi sekam) . 70
Penghematan Solar (%)
60 50 40 30 20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Beban Listrik ke
Cekikan 1
Cekikan 2
Cekikan 3
Gambar 3. Grafik Persentase Penghematan BBM Terhadap Beban Listrik Dari hasil pengujian PLTD-Sekam dengan pembebanan listrik pada mesin-mesin Dryer dan Huller, diperoleh penghematan BBM solar mesin diesel sampai 60%, yaitu pada Gambar 2 dan Gambar 3 pada beban ke-5 cekikan III JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐4
SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216 dengan beban listrik ke 5 sekitar 55 kW dengan SFC = 0,086 liter/kWh. 4. Kesimpulan Konversi sekam padi melalui proses gasifikasi menghasilkan gas hasil gasifikasi untuk substitusi BBM solar pada mesin Diesel-Genset menghasilkan listrik untuk menggerakkan mesin-mesin Dryer dan Huller di pabrik penggilingan beras. Diperoleh penghematan BBM solar pada mesin Diesel (Dual Fuel) sampai 60 % atau konsumsi spesifik bahan bakar minyak (SFC) sampai 0,086 liter/kWh, dibandingkan dengan SFC mesin Diesel (Single Fuel) sekitar 0,25 liter/kWh. Uji Variasi beban listrik dari pembangkit listrik diesel dual fuel dari beban 0 kW sampai beban listrik 82 kW dan rasio gas hasil gasifikasi dengan udara 50%, 70%, dan 80% diperoleh hasil : • Semakin mendekati kapasitas daya Genset akan diperoleh efisiensi yang optimal • Pada cekikan yang rendah (rasio gas hasil gasifikasi dengan udara 50%) tidak banyak penghematan BBM • Pada cekikan paling besar (rasio gas hasil gasifikasi dengan udara 80%) penghematan BBM sampai 60%. Dengan demikian pembangkit listrik tenaga Diesel gasifikasi biomassa dapat melayani kebutuhan energi listrik dengan cepat dan biaya pembangunan atau modifikasi dan operasi yang lebih murah dan ekonomis. Disamping itu pembangkit listrik tenaga Diesel gasifikasi biomassa dapat mengisi kebutuhan listrik pada bagian daerah-daerah yang tidak terjangkau PLN atau pada Isolated Area.
Ucapan Terima Kasih Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Program Riset Kompetitif LIPI, Pusat Penelitian Fisika – LIPI, dan rekan-rekan Kelompok Energi Pusat Penelitian Fisika – LIPI Bandung atas bantuan dan dukungannya selama penelitian.
Daftar Pustaka Affendi, M., Sugiyatno, Imam Djunaedi, Haifa Wahyu, Herri Susanto (2008). “Kajian Awal Potensi Penghematan BBM Dengan Gasifikasi Sekam Pada PLTD 100 kW di Penggilingan Padi Haurgeulis, Indramayu”. Prosiding Seminar Teknik Kimia Soehadi Reksowardojo-2008, 3-4 November 2008. Akmal, F., (2004), “Indonesian Power An It’s Experience On Biomass & Coal Fired Power Plant. The International Workshop On Biomass & Clean Fossil Fuel Power Plant Technology, Jakarta-Indonesia 2004, V-1 to V-15. Aziz A.A., Said MF., Awang M.A., (2006), “Performance of Palm Oil-Based Bio Diesel Fuels in a Single Cylinder Direct Injection Engine”, Palm Oil Development 42, hal 15-27. Chandra W. Koesoemodiprodjo (1984), ”Gasifikasi, Salah Satu Teknologi Terpilih Pembangkit Energi dari Biomassa”, Kursus Teknologi Energi Terbarukan, Lembaga Fisika Nasional – LIPI, Bandung 14 – 25 Februari 1984. Gerpen J.V., (2005), :”The Basics of Diesel Engines and Fuels” in G. Knothe (Ed). The Bio Diesel Handbook, AOCS Press, Illinois, Chapter 3. Budi Raharjo, I. (2007), Optimalisasi Pemanfaatan Batubara Melalui Proses Gasifikasi (bagian 1 & 2), Artikel Iptek. Panggabean L.M., Mulyadi (1984), ”Pemanfaatan Sistem Gasifikasi Kayu Sebagai Penggerak Pompa Irigasi (Suatu Pengalaman Khusus)”, Kursus Teknologi Energi Terbarukan, Lembaga Fisika Nasional – LIPI, Bandung 14 – 25 Februari 1984. Pikiran Rakyat (2003), ”Pembangkit Serupa Akan Dikembangkan di Daerah Lumbung, PLTD Sekam Haurgeulis Diresmikan Hari Ini”. Selasa, 02 September 2003. Sudarmanta, B., (2010), “Variasi Rasio Gasifying Agent-Biomassa Terhadap Karakterisasi Gasifikasi Biomassa Tongkol Jagung Pada Reaktor Downdraft, Prosiding Seminar Nasional Perkembangan Riset dan Teknologi di Bidang Industri ke 16, KPTU Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta 27 Mei 2010, hal TRTP15 - TRTP20 Susanto, H., (2005), “Pengujian PLTD-Gasifikasi Sekam 100 kW di Haurgeulis, Indramayu”. Laporan singkat Pengoperasian PLTD-G sekam di Haurgeulis selama bulan September 2005, Dasar-dasar Proses Gasifikasi dan Pengalaman Teknik Kimia ITB dalam pengoperasian PLTD-Gasifikasi Sekam. Web PTPN XII (2007), “Bahan Energi Alternatif”, Selamat Datang di Web PTPN XII (Persero), BUMN ONLINE 14 November 2007. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐5
SEMINAR REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2010 ISSN : 1411-4216 www.balipost.co.id/balipostcetaK/2003/9/3/e4.htm. Dulu Bahan Baku Pakan Ternak Kini Sekam Jadi Energi Hijau.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
D‐01‐6
