1

A. JUDULPengaruh Ukuran dan Bentuk Partikel Biomassa terhadap Kebutuhan Daya

Pompa Penyedia Udara Penggasifikasi

B. LATAR BELAKANG MASALAH

Semakin lama kebutuhan energi semakin meningkat. Peningkatan

kebutuhan energi tidak dapat diimbangi dengan peningkatan sumber

energi. Sebagian besar penyediaan energi primer saat ini berasal dari

bahan bakar fosil. Agar kebutuhan energi tetap terpenuhi maka sumber

energi terbarukan mulai mendapatkan perhatian. Salah satu sumber energi

terbarukan adalah biomassa. Biomassa adalah materi organik yang berasal

dari bahan-bahan biologis. Biomassa mungkin tumbuh sebagai hasil

pertanian, tetapi secara luas adalah hutan-hutan, padang rumput, rawa-

rawa dan perikanan (Brown, 2003).

Sebagai salah satu sumber energi alternatif terbarukan, biomassa

berpeluang besar dikembangkan di Indonesia karena potensi sumber

biomassa di Indonesia melimpah. Tetapi, potensi tersebut tersebar karena

Indonesia merupakan negara kepulauan. Dari segi lingkungan,

penggunaan biomassa sebagai bahan bakar memiliki dua pengaruh positif

yaitu bersifat mendaur ulang CO2 sehingga emisi CO2 ke atmosfir secara

netto berjumlah nol dan sebagai sarana pemanfaatan limbah industri

khususnya limbah pertanian.

Salah satu teknologi potensial untuk pemanfaatan limbah biomassa

adalah teknologi gasifikasi. Proses ini berlangsung di dalam suatu alat

yang disebut gasifier. Ke dalam alat ini dimasukkan bahan bakar biomassa

yang mengalami reaksi oksidasi parsial dengan udara, oksigen,uao air atau

campurannya. Reaksi heterogen antara gas dan padatan di dalam gasifier

dibedakan atas dasar pengontakan, yaitu reaktor unggun tetap dan reaktor

unggun terfluidakan. Reaktor unggun tetap tersusun oleh tumpukan

padatan tetap selama reaksi berlangsung dan reaktor unggun terfluidakan

tersusun oleh padatan terfluidisasi sehingga padatan bergerak seiring

2

dengan gerakan fluida. Perbandingan karakteristik kedua jenis gasifier

tersebut ditampilkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Perbandingan karakteristik gasifier unggun tetap dan unggun

terfluidakan

Parameter Unggun TetapUnggun Terfluidakan

Ukuran umpan < 51 mm < 6 mmToleransi kehalusan partikel

Terbatas Baik

Toleransi kekasaran partikel

Sangat baik Baik

Kebutuhan oksidan Rendah MenengahKebutuhan kukus Tinggi MenengahTemperatur reaksi 1090 °C 800 – 1000 °CTemperatur gas keluar 450 – 600 °C 800 – 1000 °CProduksi abu Kering KeringEfisiensi gas dingin 80% 89.2%Kapasitas penggunaan Kecil MenengahPermasalahan Produksi tar Konversi karbon

(Higman, 2003)

Kinerja reaktor unggun tetap berpotensi memerlukan energi

berlebih karena adanya tumpukan padatan yang menyebabkan hilang tekan

dan berpengaruh pada proses pengaliran reaktan yang berupa fluida. Jadi,

pengumpanan biomassa ke dalam gasifier diperlukan pengolahan awal

seperti: pengeringan, pemotongan atau pemampatan. Di samping itu aliran

biomassa harus cukup selama periode operasi, nilai ekonomisnya rendah,

dan memiliki spesifikasi sesuai dengan operasi tersebut. Arang kayu,

batok kelapa, cangkang sawit, batok kelapa, batang ketela pohon, dan

serbuk gergaji merupakan biomassa yang mendekati persyaratan tersebut.

Bentuk dan ukuran bahan bakar biomassa yang berbeda dapat

menyebabkan kemacetan aliran bahan akan semakin besar yang

selanjutnya akan berpengaruh pada tekanan dalam reaktor serta aliran gas

keluar. Dengan bentuk dan ukuran bahan bakar yang relatif seragam,

kemacetan dapat dihindari. (Higman, 2003).

Unit gasifikasi biomassa diharapkan dapat membantu masyarakat

dalam pemenuhan kebutuhan baik energi listrik maupun energi panas.

3

Tetapi, setiap unit gasifikasi memiliki karakteristik-karakteristik tertentu

bergantung pada umpan biomassa yang berpengaruh terhadap kinerja unit

tersebut sehingga diperlukan pengujian alat agar dapat diketahui kondisi

operasi terbaiknya.

C. PERUMUSAN MASALAH

Adanya tumpukan bahan bakar biomassa di dalam reaktor

gasifikasi menimbulkan hilang tekan yang menyebabkan kenaikan

kebutuhan energi pengaliran reaktan. Tingginya kebutuhan energi untuk

pengoperasian unit gasifikasi berpotensi mengurangi perolehan energi

netto.

D. TUJUAN

Prediksi kebutuhan daya pompa penyedia udara proses gasifikasi

untuk berbagai ukuran dan bentuk biomassa di reaktor gasifikasi unggun

tetap.

E. LUARAN YANG DIHARAPKAN

Luaran yang diharapkan dari penelitian ini adalah publikasi dalam

bentuk makalah dalam seminar nasional atau artikel dalam jurnal ilmiah

nasional

F. KEGUNAAN

Mendapatkan ukuran dan bentuk bahan bakar biomassa dalam

pengoperasian unit gasifikasi sehingga didapatkan perolehan energi netto

gas produser hasil gasifikasi biomassa yang tinggi.

G. TINJAUAN PUSTAKA

G.1. Bahan Bakar Biomassa

4

Indonesia merupakan negara agraris berpenduduk Indonesia

mayoritas petani. Walaupun industrialisasi telah merambah ke dalam

berbagai kehidupan, namun sektor pertanian tetap menjadi salah satu

faktor kunci penggerak ekonomi masyarakat yang mencakup pada

produksi beras, jagung, kacang-kacangan, sawit, tebu, buah-buahan tropis

dan lain sebagainya.

Dalam aspek produksi komoditas pertanian dihasilkan hasil samping

yang selama ini belum cukup memberikan nilai ekonomis bagi

pengelolanya. Hasil samping ini lebih sering disebut sebagai limbah dari

pada suatu potensi yang terkandung di dalamnya. Pemanfaatannya selama

ini hanya terbatas pada upaya minimal, antara lain untuk pakan ternak,

bahan bakar domestik atau dibakar di lahan pertanian. Pemanfaatan yang

lebih besar dapat diupayakan dengan memandang limbah pertanian

sebagai energi biomassa yang merupakan sumber energi terbarukan.

Tabel 2. Tabel contoh analisa beberapa jenis biomassa

BiomassaCangkang

sawit1

Sekam

padi2

Serbuk

gergaji3

Jerami

padi4Lignite5 Anthracite6

Bentuk pipih jarum Bulat batang balok balok

H 5,01% 4,59% 7,78% 5,02% 7,5% 3,5%

C 44,44% 39,10% 56,31% 38,17% 45% 85%

O 34,70% 34,70% 34,73% 35,28% 48% 9%

N 0,28% 0,18% 1,06% 0,58% 1% 1%

Kadar air 12,00% 8,20% 7,4% 10% 45% 6%

Abu 3,50% 13,20% 0,4% 10,40% 15% 15%

Nilai Kalor

(kJ/kg)16.900 14.204 21.300 12.330 17.445 31.400

Sumber:1-4 : Krongkaew Laohalidanond, Jürgen Heil and Christain Wirtgen,

20065-6 : Speight, 2005

G.2. Gasifikasi

Gasifikasi adalah suatu teknologi proses konversi bahan padat

menjadi gas yang mudah terbakar. Bahan padat yang dimaksud dari bahan

bakar padat misalnya, biomassa, batubara, dan arang. Gas yang dimaksud

Gas hasil : H2, CO (gas produser), H2O, CO2, tar, dll

Abu

Uap air

Panas

Bahan kering

Panas

Uap airPanas

BiomassaUdara

ReduksiC+CO22CO

C+H2OCO+ H2O800 - 1000 oC

Oksidasi2C + O2 2CO + panas

700 - 1500 oC

PirolisisBahan C(arang) + H2O + tar + CH4 + dll

150 - 700 oC

PengeringanBahan bahan kering + H2O

100 - 150 oC

5

adalah gas-gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi seperti CO, H2, dan

CH4.

Gasifier adalah istilah untuk reaktor yang memproduksi gas produser

dengan cara pembakaran tidak sempurna (oksidasi sebagian) bahan bakar

biomassa pada temperatur sekitar 1000 oC. Ketika gasifikasi berlangsung,

terjadi kontak antara bahan bakar dengan medium penggasifikasi di dalam

gasifier. Gasifier yang digunakan menentukan kontak antara bahan bakar

dengan medium penggasifikasi. (Rajvanshi, 1986).

G.3. Tahapan proses gasifikasi

Proses gasifikasi terdiri dari empat tahapan proses atas dasar

perbedaan rentang kondisi temperatur, yaitu pengeringan (T>150 °C),

pirolisis (150<T<700 °C), oksidasi (700<T<1500 °C), dan reduksi

(800<T<1000 °C) (lihat Gambar 1). Proses pengeringan, pirolisis, dan

reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi

bersifat melepas panas (eksotermik). Panas yang dihasilkan dalam proses

oksidasi digunakan dalam proses pengeringan, pirolisis dan reduksi. Bahan

kering hasil dari proses pengeringan mengalami proses pirolisis, yaitu

pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak

terkondensasi) dari arang. Hasil pirolisis berupa arang mengalami proses

pembakaran dan proses reduksi yang menghasilkan gas produser yaitu, H2

dan CO (Pranolo, 2010).

6

Gambar 1. Diagram alir proses gasifikasi di dalam gasifier

G.4. Tipe Gasifier

Terdapat dua tipe utama gasifier yakni tipe fluidized bed dan tipe

fixed bed,. Beberapa tipe fixed bed gasifier, jika ditinjau dari arah aliran

udara, gasifier dibagi menjadi tiga tipe, yakni downdraft, updraft, dan

crossdraft. Ketiga tipe gasifier ditampilkan pada Gambar 2. Masing-

masing tipe gasifier memiliki kelebihan dan kekurangan yang ditampilkan

pada Tabel 3 (Rampling, 2003).

Gambar 2. Berbagai macam tipe gasifier

Tabel 3. Kelebihan dan kekurangan berbagai tipe gasifier

Tipe Gasifier

Kelebihan Kekurangan

Updraft - Hilang tekan rendah- Efisiensi panas bagus- Kecenderungan membentuk

terak sedikit

- Sensitif terhadap tar dan uap bahan bakar

- Memerlukan waktu start up yang cukup lama untuk mesin internal combustion.

Downdraft - Tidak terlalu sensitif terhadap tar

- Dapat mudah beradaptasi dengan jumlah umpan biomassa

- Desain gasifier tinggi- Tidak cocok untuk bahan

bakar biomassa yang berukuran kecil

Crossdraft - Desain gasifier pendek- Sangat responsif ketika diisi

umpan biomassa- Produksi gas fleksibel

- Sangat sensitif terhadap pembentukan terak

- Hilang tekan tinggi

G.5. Zona Proses pada Gasifier

Pada gasifier terdapat empat zona utama yang di dalamnya

terjadi proses gasifikasi yaitu proses pengeringan bahan bakar,

7

pirolisis, pembakaran, dan Meskipun terdapat zona yang prosesnya

tumpang tindih, masing-masing proses dapat diasumsikan menempati

zona yang terpisah dimana reaksi kimia dan panas berbeda.

Gambar 3. Berbagai zona fixed bed gasifier tipe up draft (kiri) dan

downdraft (kanan)

G.6. Hilang Tekan (∆p) dan Daya (W)

Total penurunan tekanan fluida sepanjang L pada unggun

padatan adalah Δp. Hilang tekan ini muncul sebagai akibat pengaruh

gesekan (friction) antara fluida dengan bed. Sehingga Δp disebut

sebagai hilang tekan yang tidak dapat dihindari (Gibilaro, 2001).

Pengukuran hilang tekan dapat dilakukan dengan pembacaan

tinggi kolom cairan (∆ h¿di dalam manometer pipa U yang masing-

masing ujungnya terpasang pada inlet dan outlet sistem. Bila densitas

gas (ρg¿, densitas cairan (ρHg), dan percepatan gravitasi (g) pada

manometer pipa U diketahui, maka beda tekan antara antar inlet dan

outlet sistem dapat dihitung menggunakan persamaan (1)

(Brown,1950).

∆ p=∆ h ( ρHg−ρg ) g ..................................................... (1)

Pada packed bed dan fluidized bed, pengaruh faktor bentuk (∅ s)

dan diamter partikel (dp) sering dipetimbangkan sebagai parameter

tunggal. Fraksi kosong (∈m) di dalam packed bed berhubungan dengan

faktor kebolaan partikel. Bila reaktor berdiameter kecil, efek dinding

dan pengaruh kekosongan tumpukan mejadi penting. Hilang tekan

partikel yang seragam dihubungkan oleh Ergun dengan menggunakan

Persamaan (2).

8

∆ pL

gc=150(1−∈m)2

∈m3

μuo

(∅ ¿¿ s d p)2+1,75

1−∈m

∈m3

ρg uo2

∅ s d p

¿.........(2)

ℜp=d p ρg uo

μ.......................................................(3)

Hilang tekan pada Persamaan (2) mewakili dua faktor, yaitu viskositas

(μ¿ dan kehilangan energi kinetik. Bila bilangan Reynold partikel

rendah (Rep <20) viskositas mendominasi sehingga Persamaan (2)

disederhanakan menjadi Persamaan (4):

∆ pL

gc=150(1−∈m)2

∈m3

μuo

(∅ ¿¿ s d p)2 ¿

........................................(4)

Bila bilangan Reynold partikel tinggi (Rep >1000), kehilangan energi

kinetik perlu diperhitungkan, jadi Persamaan (2) disederhanakan

menjadi Persamaan(5) :

∆ pL

gc=¿ 1,751−∈m

∈m3

ρg uo2

∅ s d p

.......................................................... (5)

Pada bilangan Reynold menengah, kedua term harus digunakan.

(Daizo, 1977)

Hubungan antara hilang tekan dengan kebutuhan daya pompa oleh

Bernoulli dapat diprediksi dengan Persamaan (6) (Rayner, 1995).

u1+p1

γ+

u12

2 g+z1+q+W =u2+

p2

γ+

u22

2g+z2 ..................(6)

dimana p = tekanan, γ= berat spesifik, u = kecepatan alir udara, z =

ketinggian, q = panas tertukar, W = daya, g = konstanta percepatan

gravitasi.

9

H. METODE PELAKSANAAN

H.1. Alat dan Bahan Penelitian

H.1.1. Alat yang digunakan:

a. Unit gasifikasi

Unit gasifikasi adalah alat yang digunakan sebagai tempat

berlangsungnya proses gasifikasi. Alat ini memiliki tinggi

kolom 60 cm dan diameter kolom 14 cm.

b. Ring blower 1/8 HP

Alat ini digunakan untuk mengalirkan media penggasifikasi

yaitu udara dan juga untuk mengalirkan gas produser ke

burner.

c. Manometer U

Manometer pipa U berfungsi untuk mengukur ∆p yang

dihasilkan oleh tumpukan di dalam kolom gasifier.

d. Selang tahan panas

Selang tahan panas digunakan sebagai media untuk

mengalirkan gas dari pipa ke kolom manometer.

e. Ayakan

Ayakan berfungsi untuk mengklasifikasi serbuk gergaji

berdasarkan ukuran diameter partikel.

f. Pisau

Pisau digunakan untuk memotong-motong batang pohon

ketela berdasarkan ukuran yang telah ditentukan

H.1.2. Bahan yang digunakan:

a. Batok kelapa

b. Sekam padi

c. Batang singkong

d. Cangkang sawit

e. Arang kayu

f. Serbuk gergaji

10

H.2. Metodologi

Penelitian dilakukan secara eksperimental untuk mengetahui hilang

tekan yang terjadi pada downdraft gasifier dengan bahan baku dalam

berbagai ukuran dan bentuk. Alur kerja penelitian terlihat pada

Gambar 4, sedangkan peralatan penelitian pada Gambar 5.

Gambar 4. Alur kerja

Gambar 5. Skema peralatan percobaan tipe down draft gasifier

Pengecekan Awal Unit Gasifikasi

Uji Coba Dingin Pengaliran Fluida Gas ke Dalam Reaktor Gasifikasi Unggun Tetap dengan Variabel Ukuran dan Bentuk Partikel Biomassa

Data pengamatan :1. ∆h manometer

Prediksi Daya Pompa

11

I. JADWAL KEGIATAN

KegiatanBulan ke -

1 2 3 4 5

1. Persiapan

a. Pengumpulan bahan baku

b. Pengolahan bahan baku

2. Pelaksanaan

a. Percobaan pendahuluan

b. Pengumpulan data

3. Penyelesaian

a. Pengolahan data

b. Penyusunan laporan

c. Penggandaan laporan

d. Seminar Penelitian

J. RANCANGAN BIAYAAdapun rancangan biaya dalam program ini adalah sebagai berikut:

No

.Uraian Satuan Jumlah

Harga

satuan

Jumlah

harga

1. Bahan yang dipakai

Batok kelapa kg 50 4.000 200.000

Sekam padi kg 50 3.000 150.000

Batang singkong kg 50 2.500 125.000

Cangkang sawit kg 50 35.000 1.750.000

Arang kayu kg 50 3.500 175.000

Serbuk gergaji kg 50 2.500 125.000

2 Peralatan penunjang    

Seperangkat alat gasifier set 1 3.500.000 3.500.000

No Uraian Satuan Jumlah Harga Jumlah

12

. satuan harga

Selang tahan panas m 10 25.000 250.000

Kran buah 20 15.000 300.000

Kawat m 6 15.000 90.000

Pisau buah 5 8.000 40.000

3 Pembuatan laporan    Kertas HVS rim 2 30.000 60.000

Tinta printer set 3 25.000 75.000

Alat tulis set 5 2.000 10.000

Penggandaan proposal eks 6 5.000 30.000

4 Publikasi penelitian    Seminar nasional atau

jurnal ilmiah- 1 2.000.000 2.000.000

5 Lain-lain    Survei bahan - 2 100.000 200.000

Dokumentasi set 1 75.000 75.000

Transportasi - 2 125.000 250.000

Total biaya 9.405.000

K. DAFTAR PUSTAKA

Brown, C.R 2003, Biorenewable Resources, page 4, Iowa State Press,

Iowa

13

Brown, G.G 1950, Unit Operation, page 154, John Willey and Sons Inc,

New York

Gibilaro, L.G, 2001, Fluidization-Dynamics, Reed Elsevier, Berlin

Higman, C, and van der Berg, M 2003, Gasification, Elsevier Science,

USA

Kunii, Daizo, and O. Levenspiel 1977, Fluidization Engineering, John

Willey & Sons, Inc, New York

Perry, R. H., and Green, D. W 2007, Perry’s Chemical Engineers

Handbook, 8th ed, page 6-9, 6-39, Mc Graw Hill Book Company, New

York

Pranolo, H 2010, Potensi Penerapan Teknologi Gasifikasi Tongkol Jagung

Sebagai Sumber Energi Alternatif Di Pedesaan, Dalam Seminar Nasional

Energi Terbarukan Indonesia di Universitas Jendral Sudirman Purwkerto.

Rajvanshi, Anil K., and , Goswami, D. Yogi 1986, Alternative Energy in

Agriculture, CRC Press,United States

Rayner, R.,1995,Pump Users Handbook, 4th ed., Elsevier Advanced

Technology, United Kingdom

Speight, James G 2005, Handbook of Coal Analysis, John Willey & Sons,

Inc, New Jersey

Krongkaew Laohalidanond, Jürgen Heil and Christain Wirtgen,2006, The

Production of Synthetic Diesel from Biomass, Vol. 6 No. 1 Jan. - Jun.

l

L. LAMPIRAN1. BIODATA KETUA DAN ANGGOTA KELOMPOKa. Ketua Pelaksana Kegiatan

14

1. Nama Lengkap : Dwi Hantoko2. NIM : I05090133. No.HP : 0856422461524. Email : dwi_hantoko@yahoo.com5. Fakultas/Program Studi : Teknik / Teknik Kimia6. Perguruan Tinggi : Universitas Sebelas Maret7. Waktu untuk Kegiatan PKM : 10 jam/minggu

Ketua,

Dwi Hantoko

b. Anggota Pelaksana1. Nama Lengkap : Muflih Arisa Adnan2. NIM : I05090293. No.HP : 0813939383294. Email : adnan051991@yahoo.com5. Fakultas/Program Studi : Teknik / Teknik Kimia6. Perguruan Tinggi : Universitas Sebelas Maret7. Waktu untuk Kegiatan PKM : 10 jam/minggu

Anggota,

Muflih Arisa Adnan

c. Anggota Pelaksana1. Nama Lengkap : Juli Novianto2. NIM : I05100233. No.HP : 0857863388204. Email : juno_smatt@homail.com5. Fakultas/Program Studi : Teknik / Teknik Kimia6. Perguruan Tinggi : Universitas Sebelas Maret7. Waktu untuk Kegiatan PKM : 10 jam/minggu

Anggota,

Juli Novianto

2. BIODATA DOSEN PENDAMPING

1. Nama : Dr. Sunu Herwi Pranolo

15

2. NIP baru : 1969031619980220013. Golongan/Jabatan : III C / Lektor4. Tempat/Tanggal Lahir : Yogyakarta / 16 Maret 1969 5. Jenis kelamin : Laki-laki

6. Unit kerja : Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Kimia, UNS

7. Alamat kantor : Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 571268. Alamat rumah : Jl. Amerta XI/4, Jombor Kidul, Mlati,

Sleman Yogyakarta 55284 9. Alamat email : sunu_pranolo@yahoo.com

10.Waktu untuk Kegiatan PKM : 6 jam/minggu

Riwayat Pendidikan Perguruan Tinggi

Jenjang Perguruan Tinggi Tahun Lulus

S3 Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri – ITB, Bandung

2009

S2 Department of Process Design and Safety,Institute of Process Equipment and Environmental Technology,Otto-von-Guericke-Univeristat, Magdeburg, Germany

2000

S1 Jurusan Teknik Kimia,Fakultas Teknik – UGM, Yogyakarta

1994

Daftar Pengalaman Proyek

Tahun

Tempat Bekerja

2010 Pembangunan dan Commissioning Pembangkit Listrik Tenaga Diesel – Gasifikasi Pelepah Sawit (100 kVA) di Kab. Indragiri Hulu, Riau

2010 Pembangunan dan Commissioning Pembangkit Listrik Tenaga Diesel – Gasifikasi Pelepah Sawit (100 kVA) di Kab. Pelalawan, Riau

2008 Pembangunan dan Commissioning Pembangkit Listrik Tenaga Diesel – Gasifikasi Tongkol Jagung (60 kVA) di Kab. Tanah Laut, Kalimantan Selatan

Dosen Pembimbing,

Dr. Sunu Herwi Pranolo 196903161998022001