bab ii tinjauan teoritis lapdul biogas

Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung

Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat

d

TINJAUAN TEORITIS

Perkembangan energi baru dan terbarukan telah menjadi bagian

strategis dalam kebijakan ketenagalistrikan nasional, karena kebergantungan

yang tinggi terhadap sumber-sumber energi yang berasal dari fosil telah

disadari akan mengancam keamanan dan keberlanjutan suplai energi

nasional di masa yang akan datang. Oleh karena itu, pemerintah Indonesia

telah menetapkan kebijakan diversifikasi energi yang dinyatakan dalam

peraturan Presiden RI No. 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional,

yaitu terwujudnya energy-mix yang optimal pada tahun 2025. Salah satu

sasaran yang inign diwujudkan pada tahun 2025 adalah tercapainya

pemanfaatan energi terbarukan lebih dari 15% dari total pemanfaatan energi

nasional, yaitu :

Bahan bakar nabati (biofuel) menjadi lebih dari 5% (lima persen)

Panas bumi menjadi lebih dari 5% (lima persen)

Energi baru dan energi berbarukan lainnya, khususnya biomassa, nuklir,

tenaga air, tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5% (lima

persen)

Jenis energi terbarukan yang memiliki prospek cukup baik untuk

dikembangkan adalah biogas yang potensi energinya cukup besar dan

tersebar di wilayah Indonesia.

Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan

organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob).

Komponen bigas antara lain sebagai berikut : ± 60% CH4 (Metana), ± 38%

CO2 (Kabron dioksida), dan ± 2% N2, O2, H2, & H2S.

Proses pembentukan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses

terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri

anaerob di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4)

LAPORAN PENDAHULUAN – BAB II 1

I1



d

dan gas karbon dioksida (C02) yang volumenya lebih besar dari gas

hydrogen (H2), Gas nitrogen (N2) dan gas hydrogen sulfide (H2S). proses

fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas

dengan suhu optimum 350C dan pH optimum pada range 6,4 – 7,9. Bakteri

pembentuk biogas yang digunakan yaitu bakteri anaerob seperti

Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus dan Methanosarcina

(Price and Paul, 1981). Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi

menandung gas CH4 sebesar 55 – 65%, gas CO2 sebesar 30 – 35% dan sedikit

gas hydrogen (H2), gas nitgoren (N2) dan gas-gas lainnya. Panas yang

dihasilkan sebesar 600 BTU/cuft. Sedangkan, biogas yang dibuat dari gas

alam mengandung gas CH4 sebesar 80% dengan panas sebesar 1000

BTU/cuft. Kandungan gas CH4 dari bigoas dapat ditingkatkan dengan

memisahkan gas CO2 dan gas H2S yang bersifat korosif. Reaksi pembentukan

metan dari bahan-bahan organik yang dapat terdegradasi dengan bantuan

enzim maupun bakteri dapat dilihat sebagai berikut :

Reaksi kimia pembuatan biogas (gas metana) ada tiga tahap yaitu :

1. Reaksi Hidrolisa / Tahap Pelarutan

Pada tahap ini bahan yang tidak larut seperti selulosa, polisakarida dan

lemak diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan

asam lemak. Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 250 di digester.

Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut :




d

2. Reaksi Asidogenik / Tahap Pengasaman

Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana

anaerob. Tahap ini berlangsung pada suhu 250 C di digester. Persamaan

reaksi kimianya adalah sebagai berikut :

3. Reaksi metanogenik / Tahap Gasifikasi

Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan

secara anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 250C

di dalam digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30% CO2,

sedikit H2. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut :

Menurut Wellinger and Lindenberg (2000), komposisi biogas yang

dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan.

Namun demikian, komposisi biogas yang utama adalah gas metana (CH4)

dan gas karbon dioksida (C02) dengan sedikit hydrogen sulfide (H2S).

komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil (trace

element) antara lain senyawa sulfur organic, senyawa hidrokarbon

terhalogenasi (Halogenated hydrocarbons), gas hydrogen (H2), gas

nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Berikut

ini tabel mengenai komposisi utama yang terdapat dalam biogas.

Tabel 2.1 Komponen Utama Biogas




d

No Komponen SatuanKomposisi

1*) 2**) 3***)1 Gas Methan (CH4) % Vol 55-75 55-75 54-702 Karbon dioksida (CO2) % Vol 24-45 24-45 27-453 Nitrogen (N2) % Vol 0-0,3 <2 0-14 Hidrogen ( H2) % Vol 1-5 <1 0-15 Karbon Monoksida ( CO) % Vol 0,16 Oksigen ( O2) Ppm 0,1-0,5 <2 0,17 Hydrogen Sulfida ( H2S) Ppm 0-3 <2 sedikit

Karakteristik biogas adalah sebagai berikut :

1. Biogas kira-kira memiliki berat 20 % lebih ringan dibandingkan udara

dan memiliki suhu pembakaran antara 650 sampai 7500C.

2. Biogas tidak berbau dan berwarna yang apabaila dibakar akan

menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG.

3. Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran

60 % pada konvesional kompor biogas.

Panas pembakaran dari suatu bahan bakar adalah panas yang dihasilkan dari

pembakaran sempurna bahan bakar pada bolume konstan dalam calorimeter

dan dinyatakan dalam kal/kg atau Btu/lb. panas pembakaran dari bahan

bakar bisa dinyatakan dalam High Heating Value (HHV). Dan Lower heating

Value (LHV). High Heating value merupakan panas pembakaran dari bahan

bakar yang di dalamnya masih termasuk latent heat dari uap air hasil

pembakaran. Low Heating Value merupakan panas pembakaran dari bahan

bakar setelah dikurangi latent heat dari uap hasil pembakaran Nilai kalor

pembakaran yang terdapat pada biogas berupa High Heating Value (HHV)

dan Lower Heating Value (LHV) pembakarannya dapat diperoleh dari tabel

berikut :

Tabel 2.2 Nilai kalor pembakaran biogas

KomponenHigh heating Value Low Heating Value

Kkal /m3 Kkal/Kg Kkal/M3 Kkal/Kg




d

Hidrogen (H2) 2.842.21 33.903,61 2.402,62 2.8661,13Kabon Monoksida (CO) 2.811,95 2.414,31 2.811,95 2.414,31

Gas Methan ( CH4) 8.851.43 13.265,91 7.973,13 11.953,76

Natural Gas 9.166,55 12.943,70 8.320,18 11.749,33

Biogas sebenarnya telah dimanafaatkan sejak lama. Kebudayaan Mesir, Cina

dan Roma kuno diketahui telah memanfaatkan gas alam dengan cara dibakar

untuk menghasilkan panas. Serajah penemuan proses anaerobic digestion

untuk menghasilkan biogas tersebar di benua Eropa. Penemuan ilmuwan

Volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770,

beberapa dekade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas

metana. Setelah tahun 1884 Pasteur melakukan penelitian tentang biogas

menggunakan kotoran hewan. Era penelitian Pasteur menjadi landasan

untuk penelitian biogas hingga saat ini.

Sejak tahun 1975, instalasi biogas mulai diperkenalkan di Cina. Cina

memiliki biogas dengan skala rumah tangga dan telah dimanfaatkan oleh

sepertiga rumah tangga di pedesaan. Tahun 1992, sekitar lima juta rumah

tangga menggunakan instalasi biogas sehingga biogas merupakan bahan

bakar utama penduduk Cina. Reaktor biogas yang banyak digunakan adalah

model sumur tembok dengan bhan baku kotoran ternak dan manusia serta

limbah pertanian. Tahun 1981 mulai dikembangkan instalasi biogas di India.

Perkembangan instalasi biogas dilakukan oleh departemen sumber energi

non-konvensional melalui program “The National Project on biogas

Development” dengan melakukan riset terhadap perkembangan model

instalasi biogas. Reaktor biogas yang digunakan sama dengan reaktor biogas

yang dikembangkan di Cina yaitu menggunakan model sumur tembok dan

dengan drum serta dengan bahan baku kotoran ternak dan limbah

pertanian. Tahun 1999, sekitar tiga juta rumah tangga di India menggunakan

instalasi biogas.




d

Di Indonesia, teknologi biogas telah dikenal pada tahun 70-an dengan pengiat

utama para praktisi di perguruan tinggi dan NGO yang bergerak dalam

teknologi tepat guna. Pada tahun 80-an, Departemen Pertanian mulai

mengenalkan biogas kepada masyarakat pedesaan dengan bantuan FAO di

beberapa provinsi sebagai percontohan. Periode 90-an, perkembangan

biogas banyak dilakukan oleh NGO di Indonesia dengan LPTP Solo sebagai

motor penggiatnya.

Sampai awal tahun 2000-an, secara umum perkembangan biogas sangat

lambat disebabkan karena harga minyak tanah subsidi yang murah. Periode

2003-2005, kegiatan pengembangan biogas aktif kembali sebagai respon

terhadap berkurangnya subsidi minyak tanah. Saat ini, selain merupakan

salah satu energi alternatif yang dikembangkan di Indonesia instalasi biogas

juga merupakan unit pengolah limbah. Biogas di Indonesia pemanfaatannya

lebih banyak dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi domestic

yaitu untuk memasak di rumah-rumah.

Pada dasarnya secara teori, semua bahan organik bila terurai akan

menghasilkan biogas, tetapi agar biogas yang dihasilkan optimal, sangat

diperngaruhi oleh :

1. Ratio C/N

Hubungan antara jumlah Karbon dan Nitrogen yang terdapat pada bahan

organic dinyatakan dalam terminology rasio (perbandingan kandungan)

karbon/nitrogen (C/N). Apabila rasio C/N sangat tinggi, Nitrogen akan

dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan

protein dan kandungan karbon pada bahan. Sebagai akibatnya produksi

metan akan menjadi rendah. Sebaliknya, apabila rasio C/N sangat rendah,

nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam betuk amoniak (NH4). NH4

akan meningkatkan derajat pH bahan dalam digester, pH lebih tinggi dari

8,5 akan mematikan/menurunkan populasi bakteri metan.

Tabel 2.3 Rasio C/N Dari Beberapa Bahan Organik




d

Bahan Rasio C/N

Kotoran Bebek 8Kotoran manusia 8Kotoran ayam 10Kotoran kambing 12Kotoran babi 18Kotoran domba 19Kotoran sapi/kerbau 24Air hyacinth 25Kotoran gajah 43Jerami (jagung) 60Jerami (padi) 70Jerami (gandum) 90Tahi gergajian Di atas 200

Sumber : Karki and Dixit (1984)

2. Nilai pH

Produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari

campuran input di dalam digester (tempat pembentukan biogas) berada

pada kisaran 6 dan 7. Pada tahap awal, ketika proses fermentasi asam

organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH

dalam digester dapat mencapai dibawah 5. Keadaan ini cenderung

menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri

metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup di

bawah pH 6.6. Kemudian ketika proses pencernaan berlangsung,

konsentrasi NH4 bertambah. Penambahan nitrogen dapat meningkatkan

nilai pH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi stabil, kisaran

nilai pH adalah 7,2 sampai 8,2.

3. Suhu

Bakteri metanogen dalam keadaan tidak atif pada kondisi suhu ekstrim

tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 350C. Ketika suhu udara

turun sampai 100C produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat

bagus yaitu pada kisaran mesofilik, yaitu kisaran antara suhu 25 – 30 0 C.

Pengaturan suhu yang memadai pada digester membantu produksi gas

khususnya di daerah dingin.




d

4. Waktu Tinggal dalam Pencerna (Digester/Tempat Pembentukan

Biogas)

Waktu tinggal dalam pencerna adalah rata-rata periode waktu saat input

berada dalam digester dan proses pencernaan dilakukan oleh bakteri

metanogen. Dalam jaringan pencerna dengan kotoran sapi, waktu tinggal

diitung dari volume total digester dibagi volume input yang ditambah

setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu, Antara 350C atau

suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat. Terbentuknya biogas

pada digester dari kotoran sapi ± 1 minggu, sedangkan pada biogas dari

kotoran manusia diperlukan ± 6 bulan.

Biogas yang dihasilkan dari sebuah instalasi biogas dapat dimanfaatkan :

1. Untuk memasak, biogas dapat digunakan sebbagai bahan bakar pada

kompor biogas, dan digunakan untuk memasak. Unit biogas berukuran

setidaknya 4 m3 mampu menyediakan bahan bakar untuk kebutuhan

memasak sebuah keluarga yang terdiri dari 5 orang anggota keluarga.

2. Untuk penerangan, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar pada

lampu. Untuk memperoleh cahaya setara dengan lampu lisrik 60 watt

dibutuhkan 0,13 m3 biogas per jamnya.

3. Genset listrik, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar generator

listrik

4. Bahan bakar kendaraan bermotor, dengan perlakuan tertentu, kualitas

biogas dapat menyamai kualitas gas alam sehingga dapat digunakan

untuk kendaraan.

Khusus untuk wilayah pedesaan, manfaat lain dari biogas adalah :

1. Sumber daya yang lebih baik dan murah untuk memasak, penerangan

dan pembangkit listrik.

2. Menghasilkan pupuk yang berkualitas

3. Memperbaiki kondisi sanitasi dan higienitas masyarakat




d

4. Manfaat sosial, mengurangi beban untuk hutang dan mengurangi

kerepotan beban kerja ibu-ibu dan tidak berasap ketika digunakan

untuk memasak dipedesaan mapmu mengurangi penyakit mata dan

paru-paru

Berdasarkan bahan yang digunakan, setidaknya ada tiga jenis reaktor biogas,

pertama reaktor biogas plastic, reaktor biogas fix dome fiber dan reaktor

biogas fix dome beton.


Gambar 2.1: Biogas Fixdome beton Gambar 2.2: Biogas Fixdome fiber

Gambar 2.3: Biogas plastik



d

Saat ini jenis reaktor yang paling banyak dibangun adalah reaktor tipe fix

dome. Reaktor fix dome adalah reaktor yang memiliki volume tetap sehingga

produksi gas akan meningkatkan tekanan dalam reaktor (biodigester). Oleh

karena itu, dalam konstruksi ini gas yang terbentuk akan segera dialirkan ke

pengumpul gas di luar reaktor. Jenis reaktor biogas fix dome beton banyak

dipilih karena pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut :

Material yang digunakan adalah material untuk pembangunan bangunan

sipil yang sangat umum sehingga dapat diperoleh dengan mudah di lokasi

pembangunan

Teknologi yang digunakan adalah teknologi tepat guna yang relative

sederhana, sehingga dapat dengan mudah dipelajari oleh penduduk local

sehingga pada gilirannya nanti pembangunan biogas ini dapat

dikembangkan secara mandiri.

Umur pakai panjang, karena terbuat dari pasangan tembok bata dan

beton, umur pakai reaktor biogas menjadi panjang, dengan pemeliharaan

yang benar reaktor dapat dipakai sapai lebih dari 10 tahun.

Sebuat reaktor biogas jenis fixdome memiliki 6 bagian utama yaitu : inlet

(tanki pencampur) sebagai tempat kotoran hewan masuk, reaktor (ruang

pencernaan anaerob), penampung gas (kubak/dome), outlet (ruang

pemisah), system pengangkutan atau distribusi gas dan lubang kompos/bio-

slurry. Secara keseluruhan reaktor biogas yang harus dibangun dalam

pekerjaan ini, adalah seperti gambar berikut ini :




d

Gambar 2.3 Instalasi biogas Fix Dome

Cara kerja reaktor biogas fix dome ini secara sederhana adalah sebagai

berikut : kotoran sapi yang merupakan limbah dari peternakan sapi akan

dicampur dengan air. Campuran kotoran sapid an air (dicampur dalam tanki

pencampur) dialirkan melalui saluran pipa inlet masuk ke dalam digester.

Dalam digester campuran kotoran air tadi akan mengalami proses

pencernaan (digestation) yang menghasilkan gas (terutama methan). Gas

yang terbentuk kemudian akan tersimpan dalam penampungan gas (bagian

atas kubah/dome). Setelah volume dan tekanannya cukup, gas dialirkan ke

dalam kompor di dapur melalui saluran pipa distribusi, untuk selanjutnya gas

tersebut digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk memasak dan

keperluan lainnya.

Slurry yang tak lain adalah sisa hasil pencernaan dalam digester akan

mengalir keluar dari digester menuju outlet dan menjadi bio-slurry mengalir

ke lubang slurry yang letaknya dalam rumah slurry biodigester. Di dalam

rumah slurry ini, kemudian slurry akan diolah mnejadi pupuk organic yang

nantinya dapat digunakan untuk pemupukan tanaman budidaya sesuai

kebutuhan.




d

Banyak factor yang harus di perhatikan agar implementasi dan

pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat yang optimal,

berkelanjutan dan tidak sia-sia. Faktor utama yang menentukan

pembangunan instalasi biogas adalah jumlah kotoran ternak yang

merupakan input reactor biogas. Oleh karena itu, untuk reactor biogas yang

memanfaatkan kotoran sapi, jumlah sapi yang dimiliki peternak tidak boleh

kurang dari 2 ekor.

Lokasi yang paling ideal untuk pembangunan reaktor biogas ditentukan

berdasarkan factor-faktor berikut :

1. Lokasi harus mempermudah pengerjaan kontruksi

2. Lokasi yang pilih harus sedemikian rupa sehingga tidak menyebabkan

peningkatan biaya kontruksi

3. Lokasi yang dipilih harus yang mudah dijangkau untuk penggunaan dan

pemeliharaan

4. Lokasi harus aman dari gangguan

Berdasarkan factor-faktor di atas, pemilihan lokasi harus

mempertimbangkan hal berikut :

1. Agar reaktor biogas dibangun nantinya dapat berfungsi efektif, suhu

yang benar (20 – 300C) harus dapat dijaga di bagian dalam reaktor.

Karenanya, tempat dingin dan berkabut harus dihindari. Tempat hangat

yang disinari matahari lebih baik.

2. Lokasi konstruksi harus memiliki permukaan yang datar

3. Lokasi harus lebih tinggi dibandingkan sekitarnya untuk mencegah

genangan air dan memperlancar aliran bio-slurry dari outlet ke lubang

pembuatan kompos. Tempat pengolahan harus berlokasi dekat dengan

kandang ternak untuk memudahkan penggunaan dan menghindari

kehilangan bahan baku, khususnya kotoran ternak.

4. Pertimbangan jumlah air yang dibutuhkan untuk dicampur dengan

kotoran. Sumber air yang jauh akan merepotkan. Untuk menjaga air




d

supaya tidak terkena polusi, jarak sumur atau sumber mata air minimal

10 meter dari reaktor biogas, khususnya lubang bio-slurry.

5. Pipa gas yang terlalu panjang akan menambah resiko kebocoran gas dan

biaya yang lebih tinggi. Katup gas utama yang terpasang di atas

penampung gas harus dibuka dan ditutup sebelum dan sesudah biogas

digunakan. Akan lebih baik jika tempat pengolahan dekat dengan tempat

pemakaian.

6. Ujung tempat pengolahan minimal 2 meter dari fondasi rumah atau

bangunan lain.

7. Lubang kompos harus cukup luas karena bagian ini merupakan satu

kesatuan dari reaktor biogas.

8. Lokasi harus cukup jauh dari pepohonan untuk menghindari kerusakan

reaktor biogas yang disebabkan oleh akar pohon.

9. Jenis tanah harus dapat menahan muatan untuk mencegah bangunan

ambles ke dalam tanah.

10. Luas lahan yang dibutuhkan untuk membangun reaktor biogas minimal

3x6 meter. Apabila luas tempat menjadi masalah, kandang hewan ternak

dapat didirikan di atas tempat pengolahan setelah reaktor biogas selesai

di cor.

Perencanaan yang baik dan lengkap menjadi penting, untuk menjamin agar

implementasi dan pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat

yang optimal, berkelanjutan dan tidak sia-sia, karena perencanaan berperan

penting dalam menekan resiko terjadinya hal-hal yang tidak diinginkan.

Dengan perecanaan, kita dapat memprediksi hal-hal yang tidak diinginkan

yang mungkin akan terjadi di masa depan dan melakukan tindakan antisipasi

sejak dini.


bab ii tinjauan teoritis lapdul biogas

Engineering