PERANCANGAN SISTEM KOMPOR BIOGAS

Oleh :

Nama : Ir. Dewa Gede Putra Swastika, M.Erg

Nip : 195511221988031003

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA

2017

ABSTRAK

Limbah ternak sapi sering menimbulkan masalah karena penanganannya yang

kurang baik maka akan menggangu lingkungan. Kotoran sapi sering digunakan sebagai

pupuk kandang, namun kana lebih berdaya guna bila dimanfaatkan untuk bahan bakar

kompor biogas.

Kompor biogas dirancang dari tekanan biogas hasil dari campuran kotoran sapi, air

dan sekam padi serta dilengkapi dengan katup pengaman. Instalasi kompor biogas terdiri

dari tiga unit reaktor, yang pertama dengan campuran kotoran sapi 1:1 tanpa sekam padi,

yang kedua dan ketiga dengan penambahan sekam padi masing-masing 0,1 dan 0,15 volume

slurry (campuran kotoran sapi dan air). Untuk pengujian laju pemanasan dan nilai kalor

digunakan air dengan volume 0,5 liter.

Berdasarkan hasil pengujian tekanan maksimum yang dihasilkan 840 Pa, sehingga

tinggi kolom air yang digunakan untuk menjaga tekanan reaktor dijaga 7cm. laju pemanasan

biogas dengan slurry 1:1 tanpa sekam padi sebesar 0,07279 oC/det dengan nilai kalor 45,65

KJ, sedangkan biogas dengan ketebalan sekam padi 0,1 volume slurry menghasilkan laju

pemanasan 0,07892oC/det dengan nilai kalor 46, 20 KJ dan biogas dengan ketebalan sekam

padi 0,5 volume slurry menghasilkan laju pemanasan 0,07821 oC dengan nilai kalor 45,80

KJ.

Kata kunci: kompor biogas, katup pengamanan, laju pemanasan, nilai kalor.

PERANCANGAN SISTEM KOMPOR BIOGAS

Ir. Dewa Gede Putra Swastika, M.Erg

1

PENDAHULUAN

Kenaikan harga bahan bakar minyak (BBM) akhir-akhir ini sangat membebani

kehidupan masyarakat Indonesia terutama masyarakat petani dan petemak di pedesaan. Hal

ini menjadi tantangan bagi semua komponen masyarakat untuk selalu mencari altematif

bahan bakar murah dan mudah didapatkan sekaligus ramah lingkungan.

Sekarang ini kotoran telah dianggap sebagai energi barn, yaitu sumber daya

altematif yang bisa bermanfaat. Selain dimanfaatkan untuk pembuatan pupuk kandang dari

kotoran hewan ternak, dan pupuk kompos dari sampah mmah tangga. Kotoran juga

dimanfaatkan sebagai sumber daya altematif untuk

memperoleh gas sebagai bahan bakar altematif yang dikenal sebagai biogas. Teknologi

biogas ini memanfaatkan kotoran ternak yang jika diuraikan dalam kondisi kedap udara oleh

bakteri anaerobik yang akan menghasilkan gas metana. Sebuah tabung plastik polyethylene

digunakan untuk menampung kotoran ternak dalam kondisi kedap udara. Di dalam tabung

plastik ini gas metana dihasilkan yang langsung dapat disalurkan dan dimanfaatkan sebagai

bahan bakar.

Untuk menjaga keamanan instalasi biogas maka dipasanglah katup pengaman

tekanan untuk menghindari tekanan berlebih pada reaktor dan reservoir yang terbuat dari

plastik dan katup pengaman api berfungsi agar api tidak balik ke sistem kompor biogas.

Supaya biogas ini dapat digunakan secara langsung oleh masyarakat pedesaan kompor yang

digunakan adalah kompor sederhana.

2

LANDASAN TEORI

Pembentukan biogas berlangsung melalui suatu proses fermentasi anaerobik atau tidak

berhubungan dengan udara bebas. Proses fermentasinya merupakan suatu reaksi oksidasi-reduksi

di dalam sistem biologi yang menghasilkan energi, dimana sebagai donor dan akseptor

elektronnya digunakan senyawa organik. Fermentasi anaerobik hanya dapat dilakukan oleh

mikroba yang dapat menggunakan molekul lain selain oksigen sebagai akseptor elektronnya

(Price, 1981). Fermentasi anaerobik menghasilkan biogas yang terdiri dari metana sebanyak 50 -

70 persen, karbon dioksida 25 - 45 persen, sedikit hidrogen, nitrogen, dan hidrogen sulfida.

Keseluruhan reaksi pembentukan biogas dinyatakan dalam reaksi berikut:

Mikroorganisme Bahan Organik ----------------------------- — --------- ► CH4 + CO2 + H2S + H2 + N2

anaerobik

Pada mulanya biogas banyak dibuat dari kotoran hewan dan manusia, namun sekarang

mulai terlihat kecendrungan untuk menggunakan limbah pertanian dan buangan kota sebagai

bahan bakunya. Kecendrungan ini telah terlihat paling tidak sejak 60 tahun terakhir (Knol, 1978).

3

Permasalahaii limbah temak, khususnya manure dapat diatasi dengan memanfaatkan menjadi

bahan yang memiliki nilai yang lebih tinggi. Salah satu bentuk pengolahan yang dapat dilakukan

adalah menggunakan limbah tersebut sebagai bahan masukan untuk menghasilkan bahan bakar biogas.

Kotoran temak sapi sangat baik untuk digunakan sebagai bahan dasar pembuatan biogas. Temak sapi

mempunyai sistem pencernaan khusus yang menggunakan mikroorganisme dalam sistem

pencemaannya yang berfungsi untuk mencerna selulosa dan lignin dari rumput, jerami atau hijauan

berserat tinggi. Oleh kerena itu pada tinjauan temak sapi mempunyai kandung selulosa yang cukup

tinggi. Berdasarkan hasil analisis diperoleh bahwa tinja sapi mengandung :

1. 22,59 % selulosa,

2. 18,32 % hemi-selulosa,

3. 10,20 lignin,

4. 34,72 % total karbon organik,

5. 1,26 % total nitrogen,

6. 27,56 : 1 ratio C : N,

7. 0,73 %P,

8. dan 0,68 %K

(Lingaiah dan Rajasekaran, 1986)

Berikut adalah kandungan zat unsur hara kotoran ternak untuk jenis temak

utama : sapi, ayam, babi.

4

Tabel 1 Kandungan unsur hara pada kotoran ternak Jenis N P K Ca Hg Na Fe Mn Zn Cu Ni Cr

Sapi U 0,5 0,9 U 0,8 0,2 5726 344 122 20 - 6

Babi 1,7 1,4 0,8 3,8 0,5 0,2 1692 507 624 510 19 25

Ayam 2,6 3,1 2,4 12, 7

0,9 0,7 1758 572 724 80 48 17

(Sumber : Hsieh SC dan C.F.Hsieh, 1987)

Biogas adalah campuran beberapa gas, tergolong bahan bakar gas yang merupakan hasil

fermentasi dari bahan organik dalam kondisi anaerob, dan gas yang dominan adalah gas metana

(CH4) dan gas karbondioksida (CO2) (Simamora, 1989). Biogas memiliki nilai kalor yang cukup

tinggi, yaitu kisaran 4800 - 6700 kkal/m3, untnk gas metana mumi (100%) mempunyai nilai kalor

8900 kkal/m3. Biogas sebanyak 1000 ft (=28,32 m ) mempunyai nilai pembakaran yang sama dengan

6,4 galon (=3,785 liter) butana, atau 5,2 galon gasolin (bensin), atau 4,6 galon minyak diesel. Untuk

keperluan memasak pada rumah tangga dengan 4-5 anggota keluarga, memasak cukup dengan 150 ft3

tiap hari (Simamora. S, 1989).

Bahan biogas dapat diperoleh dari limbah pertanian yang basah, kotoran hewan (manure),

kotoran manusia dan campurannya. Kotoran hewan seperti kerbau, sapi, babi, dan ayam telah diteliti

untuk diproses dalam alat penghasil biogas dan hasil yang diperoleh memuaskan (Harahap et al.,

1980). Komposisi dari kotoran sapi dan campuran kotoran ternak dan sisa pertanian disajikan dalam

Tabel 2.

5

(Sumber : Harahap et al, 1978)

* Gas metana merupakan penyusun utama dan mempunyai prosentase terbesar

dibandingkan dengan komponen yang lainnya. Gas metana adalah gas yang sangat mudah

terbakar jika tercampur dengan oksigen, dengan sisa pembakaran berupa karbondioksida dan uap

air seperti reaksi berikut:

CH4 + 2O2 ----------------------------------- ► C02 + H20

Pembentukan biogas dilakukan oleh mikroba pada situasi anaerob, yang meliputi tiga tahap,

yaitu tahap hidrolisis, tahap pengasaman, dan tahap metanogenik.

Jenis Gas Komposisi biogas

(kotoran sapi)

Komposisi biogas

(campuran kotoran ternak

dan sisa peternakan)

Metana (CH4) 65,7 54-70

Karbondioksida (C02) 27 45-27

Nitrogen (N2) 2,3 0,5 - 3,0

Karbonmonoksida (CO) 0,0 0,1

Oksigen (02) 0,1 6,0

Propen (C3H8) 0,7 -

Hidrogen sulfida (H2S) Tidak terukur Sedikit

Nilai Kalor (kkal/mJ) 6513 4800 - 6700

6

Gambar 1 Instalasi Kompor Biogas

METODOLOGI PENELITIAN

Dalam penelitian ini akan dirancang sebuah sistem kompor biogas sederhana. Yang

berisikan katup pengaman tekanan dan katup pengaman api. Sehingga kompor biogas ini dapat

lebih berdaya guna, lebih ekonomis dan aman bagi penggunanya. Gambar kompor dan katup

pengaman disajikan pada Gambar 1.

Katup pengaman

tekana

Gambar 1 Instalasi Kompor Biogas

7

Rancangan penelitian

Rancangan penelitian yang dilakukan adalah berupa perancangan sistem kompor

sederhana, seperti terlihat pada Gambar 2

Gambar 2 Rancangan Sistem Kompor Biogas

8

Perancangan katup pengaman tekanan dan katup pengaman api, pengambilan data

berupa laju pemanasan yang di hasilkan oleh kompor biogas dengan mencatat berapa waktu yang

dibutuhkan untuk memanaskan air 0,5 liter dari 30°C (suhu udara lingkungan) sampai mencapai

temperatur maksimum sebelum mendidih.

Pengujian dilakukan 3 kali, sebanyak jumlah reaktor yang menghasilkan gas metan,

dengan komposisi slurry dengan rasio 1:1 (untuk air dan kotoran sapi) tanpa sekam padi dan

penambahan sekam padi dengan rasio 0,1 serta 0,15 dari volume slurry.

Tempat penelitian

Penelitian dilakukan di Jl. P.Bangka Gg IV/15 Pedungan Denpasar Bali, menimbang

telah dilakukannya penelitian sebelumnya.

Penelitian yang dilakukan, yakni:

1. Menganalisa laju pemanasan yang di hasilkan oleh kompor biogas

2. Mendapatkan laju pemanasan optimum yang mampu dihasilkan oleh instalasi kompor

biogas ini.

Alat penelitian

Untuk mendapatkan data yang dibutuhkan digunakan alat sebagai berikut:

1. Termometer : alat pengukur suhu air

2. Stopwatch : alat pengukur waktu pemanasan air

3. Gelas kimia : tempat pemanasan air untuk di uji

9

[

Diagram Alir Peneiitian

Gambar 3 Diagram Alir Penelitian

10

Hari

Temperatur

Lingkungan

°c

Rasio A Rasio B Rasio C

Temperatur

Biogas °C

Temperatur

Slurry °C

Temperatur

Biogas °C

Temperatur

Slurry °C

Temperatur

Biogas °C

Temperatur

Slurry °C

1 25,5 25,0 24,5 25,0 26,0 25,0 25,0

2 26,0 25,0 24,5 26,0 26,0 25,0 25,0

3 25,5 25,0 24,0 26,0 25,5 25,0 24,5

4 27,0 27,0 26,0 28,0 27,5 27,0 27,5

5 26,0 25,5 25,0 26,5 26,5 25,5 25,5

6 26,0 25,5 24,5 26,5 26,0 25,5 25,0

7 25,5 25,0 24,5 25,0 26,0 25,0 25,0

8 25,0 24,5 24,0 25,0 25,5 25,0 24,5

9 25,5 24,5 24,0 25,0 25,5 25,0 25,0

10 25,0 24,0 23,0 25,0 25,5 24,5 24,5

11 25,0 24,0 23,5 25,0 25,5 24,5 24,5

12 26,0 25,0 24,5 26,0 26,5 25,5 26,0

13 26,0 25,5 25,0 26,0 26,5 25,5 25,5

14 27,0 26,0 26,5 27,0 27,5 26,5 27,0

15 25,5 25,0 24,0 25,5 26,0 25,0 25,5

16 25,5 24,5 24,0 25,5 26,0 25,0 25,0

17 26,0 25,0 25,0 26,0 26,5 25,5 25,5

18 26,0 25,0 24,0 25,5 26,0 25,0 25,5

19 27,0 27,0 26,0 27,0 27,0 27,0 27,5

20 26,5 26,0 26,0 26,5 26,5 26,5 27,0

<Ceterangan : (Slurry dibuat dengan rasiol liter kotoran sapi dan 1 liter air)

□ Rasio

□ Rasio

□ Rasio

A

B

C

: volume slurry tanpa sekam

: slurry + sekam dengan volume 0,1 dari volume slurry : slurry

+ sekam dengan volume 0,15 dari volume slurry

HASIL DAN PEMBAHASAN

Biogas yang dihasilkan dari 3 jenis reaktor ditampilkan seperti di bawah in :

Tabel 3 Data temperatur lingkungan, temperatur biogas, dan temperatur

slurry untuk seluruh penelitian

11

Tabel 4 Data tekanan biogas

Hari

Rasio A Rasio B Rasio B

Tekanan (Pa) Tekanan (Pa) Tekanan (Pa)

1 101334,77 101349,42 101354,31

2 101354,31 101364,08 101373,84

3 101383,61 101393,38 101408,03

4 101417,80 101461,76 101447,11

5 101461,76 101525,26 101481,30

6 101500,84 101578,99 101539,91

7 101549,68 101618,06 101603,41

8 101603,41 101647,37 101627,83

9 101642,49 101681,56 101637,60

10 101676,68 101715,75 101657,14

11 101701,10 101759,71 101696,21

12 101705,98 101813,44 101745,06

13 101735,29 101847,63 101789,02

14 101769,48 101891,59 101832,98

15 101808,56 101935,55 101867,17

16 101832,98 102038,12 101959,97

17 101867,17 102077,20 102003,93

18 101891,59 102077,20 102003,93

19 101930,67 102130,93 102038,12

20 101964,86 102165,12 102086,97

12

Tabel 5 Data akumulasi volume biogas dari hari ke hari

Hari

Rasio A Rasio B Rasio C

Volume (m3)

Volume (m3) Volume (m

3)

1 0,0000 0,0000 0,0000

2 0,0014 0,0018 0,0016

3 0,0027 0,0035 0,0032

4 0,0041 0,0053 0,0048

5 0,0055 0,0070 0,0064

6 0,0067 0,0089 0,0080

7 0,0134 0,0176 0,0160

8 0,0200 0,0264 0,0239

9 0,0267 0,0351 0,0318

10 0,0333 0,0439 0,0397

11 0,0400 0,0526 0,0477

12 0,0468 0,0616 0,0558

13 0,0535 0,0704 0,0637

14 0,0603 0,0794 0,0719

15 0,0667 0,0877 0,0794

16 0,0733 0,0965 0,0873

17 0,0800 0,1055 0,0954

18 0,0867 0,1140 0,1031

19 0,0939 0,1234 0,1118

20 0,1003 0,1370 0,1216

Pembuatan Katup Pengaman Tekanan

Data yang diperoleh dari tiga reaktor biogas didapat bahwa tekanan maksimal yang di

hasilkan adalah 840 Pa selisih dari (102165,12 Pa - 101325 Pa), dengan kekuatan ijin plastik

polyethelene di ketahui 1000 Pa (Indartono, 2005). Dengan menggunakan persamaan di bawah.

maka tinggi kolom air yang dipergunakan untuk menjaga tekanan di reaktor agar tidak melebihi

kekuatan plastik polyethelene adalah:

13

Jadi tinggi kolom air yang di buat maksimum adalah 7 cm agar reaktor lebih aman

dengan tekanan maksimum yang dapat di capai adalah (995,8 x 9,81 x 0,07) = 685 Pa.

Gambar 5. Foto katup pengaman tekanan

P = p.g.h

Gambar 4 Katup Pengaman Tekanan

14

Gas dari reservoir

Pembuatan Katup Pengaman Api

Katup ini berfungsi untuk mencegah api tidak balik ke instalasi biogas, dengan

menempatkan katup pengaman api pada saluran setelah reservoir dan sebelum kompor. Katup ini

terbuat dari plastik untuk penampung air dan pipa PVC 1/2 in untuk salurannya. Dengan dimensi

seperti di bawah ini:

Gambar 7. Foto Katup Pengaman Api

Gambar 6 Katup Pengaman Api

15

Tabel 6. Data temperatur pemanasan air dari berbagai rasio biogas

Pengujian Waktu

(menit) Temperatur

Rasio A (°C)

Temperatur

Rasio B (°C)

Temperatur

Rasio C (°C)

1 0 30,0 30,0 30,0

2 1 37,6 38,5 37,9

3 2 43,3 44,2 43,5

4 3 48,6 49,3 48,7

5 4 54,2 54,3 54,3

6 5 59,3 59,3 58,8

7 6 64,2 64,3 64,3

8 7 69,2 69,3 69,3

9 8 74,3 74,3 74,3

10 9 78,5 79,3 79,0

11 10 83,1 83,5 83,1

12 11 86,1 87,5 87,4

13 12 90,5 91,1 90,1

14 13 93,8 94,0 93,9

15 14 95,5 96,3 95,7

Pembakaran Biogas

Dalam pengambilan data untuk perhitungan laju pemanasan digunakan 0,5 liter air

yang di panaskan dengan api yang dihasilkan oleh reaktor dari komposisi selurry dengan rasio

1:1 (untuk air dan kotoran sapi) tanpa sekam padi dan penambahan sekam padi dengan rasio

0,1 serta 0,15 dari volume selurry.

Data yang di dapat di sajikan dalam table 6 berikut:

Untuk mempermudah penganalisaan, maka Tabel 6 disajikan bentuk grafik seperti berikut:

16

Laju Pemanasan dan Nilai Kalor Biogas

Laju pemanasan untuk 0,5 liter volume air dihitung dengan menggunakan persamaan

berikut:

Sebagai contoh perhitungan berdasarkan Tabel 6 untuk biogas dengan rasio 1 : 1

adalah sebagai berikut:

Selanjutnya ditampilkan dalam Tabel 7.

Gambar 8 Grafik distribusi temperatur dan waktu dari berbagai rasio biogas

17

Tabel 7 Laju Pemanasan yang di hasilkan dari 0,5 liter volume air

Gas Reservoir

Laju Pemanasan

(°C/dt)

Rasio A 0,07279

Rasio B 0,07892

Rasio C 0,07821

0,08

0,079

0,078

0,077

0,076

0,075

0,074

0,073

0,072

0,071

0,07

0,069

□ Laju pemanasan

Rasio A

13 Laju pemanasan

Rasio B

□ Laju pemanasan

Rasio C

Gambar 9.Grafik Laju Pemanasan yang di hasilkan dari 0,5 liter volume air

Nilai kalor yang dihasilkan dengan pemanasan terhadap 0,5 liter air dengan

menggunakan biogas dari masing - masing rasio adalah :

Q = mairr x Cp x AT

Berdasarkan tabel tersebut diatas untuk mempermudah menganalisa maka disajukan

ke dalam Grafik sebagai berikut:

18

Gas Reservoir dari berbagai rasio

Sebagai contoh berdasarkan tabel 6 untuk biogas dengan rasio A sebagai berikut:

Q = mair x Cp x AT

= (5.10A m

3 x 995,8 kg/m

3) x 4,2 kJ/kg. K x (95,5-30) K = 45,65 kJ

Kemudian untuk perhitungan rasio berikutnya disajikan dalam tabel sebagai berikut:

Tabel 8 Nilai Kalor untuk seluruh rasio

Berdasarkan tabel tersebut diatas untuk mempermudah menganalisa maka disajukan kedalam

Grafik sebagai berikut

Gas Reservoir Nilai Kalor (kJ)

Rasio A 45,67

Rasio B 46,20

Rasio C 45,80

Gambar 10 Grafik Nilai kalor biogas dari berbagai rasio

19

Berdasarkan pada Tabel 7 di atas terlihat bahwa dengan penambahan rasio sekam padi

yang semakin besar tidak secara langsung menaikkan produktivitas gas metan, karena pada

penambahan 0,15% volume digester terlihat adanya penurunan produktivitas gas metan serta

berpengaruh terhadap laju pemanasan. Semakin rendah produktivitas akan berakibat pada semakin

rendahnya laju pemanasan yang dihasilkan. Hal ini dapat kita lihat seperti pada laju pemanasan

yang terjadi dengan rasio C dimana produksi biogas yang dihasilkan lebih kecil laju

pemanasannya dengan menggunakan rasio B . Dengan demikian penambahan sekam padi

berpengaruh terhadap temperatur biogas, menurunkan tekanan biogas, menurunkan laju

produktivitas biogas dan menurunkan laju pemanasan gas metan yang dihasilkan.

Mengacu pada grafik 9 pada rasio A laju pemanasan yang dihasilkan dari pemanasan

0,5 liter volum air yakni 0,07279 °C/detik dengan nilai kalor sebesar 45,65 kJ, sedangkan pada

rasio B laju pemanasannya 0,07892 °C/detik dengan nilai kalor sebesar 46,20 kJ , dan pada rasio

C laju pemanasan 0,07821 °C/detik dengan nilai kalor sebesar 45,80 kJ. Hal ini membuktikan

bahwa rasio yang paling baik laju pemanasannya adalah rasio A untuk setiap detiknya mampu

memanaskan 0,5 liter voluma air 0,07364 °C dengan nilai kalor sebesar 46,20 kJ.

Dalam pengoperasian katup pengaman api yang dirancang teryata telah mampu bekerja

dengan baik, dimana tidak timbulnya tekanan balik ke reservoir pada saat gas didalamnya

mengalami penyusutan karena pemakaian.

20

KESIMPULAN

1. Dari data yang diperoleh oleh tiga reaktor biogas didapatkan bahwa tekanan maksimal

yang di hasilkan adalah 840 Pa, sehingga tinggi kolom air yang dipergunakan nntuk

menjaga tekanan di reaktor agar tidak melebihi kekuatan plastik polyethelene adalah

dijaga 7 cm, sehingga plastik tidak akan bocor akibat tekanan biogas yang ada di

reservoir terns bertambah.

2. Dari rancangan kompor biogas gambar 2 dengan pemanasan 0,5 liter volume air didapat

laju pemanasan dengan rasio A, sebesar 0,07279 °C/det dengan nilai kalor sebesar 45,65

kJ, sedangkan biogas dengan rasio B menghasilkan laju pemanasan sebesar 0,07892

°C/det dengan nilai kalor sebesar 46,20 kJ dan biogas dengan rasio C menghasilkan laju

pemanasan sebesar 0,0782l°C/det dengan nilai kalor sebesar 45,80 kJ.

21

DAFTAR PUSTAKA

Anonimus. 1977. Methane Generation From Human, Animal and Agric. Wastes,NAS.

Washington DC.

Dissanayake, MG. 1977. Biogas Production by Anaerobic Digestion. Thesis. ATT, Bangkok.

Holman ,J,P. 195%.Introduction to Heat Transfer. McGraw Hill Book Company .New York

Sihombing,Bob. 2006. Pembuatan Biogas Dari Limbak Ternak Sapi Dengan Penambahan

Sekam Padi. Tugas Akhir. Teknik Mesin,Fakultas Teknik,Universitas Udayana. Bali

Palz, Chatier dan Hall (1980). Energy from biomass. Applied Science Pub, London.

Pfeffer, JT (1974). Temperatur Effect an Anaerobic Fermentation of Domestic Refuse.

Biotech avel Bioeng. 16 : 771 - 787.

Wiloso, El (1983). Studi tentang Metode Produksi Optimal dan Kelayakan Limbah

Yuli Setyo Indartono. 2005. Reaktor Biogas Skala Kecil/Menengah. (Online). Artikel Iptek,

htpp://www.beritaiptek.com, diakses 25 Septamber 2006

22