bab ii tinjauan pustaka 2.1 biomassa 2.1.1 definisi biomassa dan kayu...
TRANSCRIPT
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biomassa
2.1.1 Definisi Biomassa dan Kayu Bakar
Biomassa merupakan istilah yang biasanya digunakan untuk berbagai jenis
bahan organik dalam bentuk padat yang dapat digunakan sebagai bahan bakar,
seperti kayu, arang, kotoran hewan, limbah pertanian, dan limbah padat lainnya
yang dapat terbiodegradasi (Fisafarani, 2010). Biomassa adalah sumber energi
terbesar keempat di dunia dan memberikan kebutuhan dasar energi untuk memasak
dan pemanas rumah tangga pedesaan di Negara – Negara berkembang (S.C.
Bhattacharya, 2006).
Kayu bakar adalah berbagai macam jenis kayu yang dikumpulkan untuk
digunakan sebagai bahan bakar. Umumnya kayu bakar merupakan bahan yang tidak
diproses selain pengeringan dan pemotongan, dan masih terlihat jelas bagian –
bagian kayu seperti kulit kayu, mata kayu, ranting, dan sebagainya (J. F.
Dumanauw, 1982)
2.2 Potensi Biomassa di Indonesia
Indonesia memiliki sumber daya biomassa yang sangat melimpah. Salah
satu penyebabnya adalah Indonesia termasuk Negara beriklim tropis dengan
wilayah yang sangat luas.
5
Gambar 2.1 Potensi Biomassa di Indonesia (ZREU, 2000)
2.3 Bahan Bakar
Bahan bakar merupakan istilah popular media untuk menyalakan api. Bahan
bakar dapat bersifat alami (didapatkan langsung dari alam), tetapi ada juga bersifat
buatan diolah dengan terknologi (Ismun, 1993). Bahan bakar yang digunakan
adalah kayu lamtoro, secara umum kayu dibagi atas dua golongan, yaitu kayu keras
dan lunak. Pohon yang memiliki daun lebar pada umumnya memiliki kayu yang
keras, sedangkan kayu yang berasal dari pohon dengan daun jarum biasanya lebih
lunak. Namun setiap pohon memiliki kekerasan yang berbeda, walaupun pohon
tersebut dari jenis yang sama.
Hal – hal yang tergolong dalam sifat kayu adalah keawetan alami, berat
jenis, kekerasan dan berat volume. Kayu memiliki berat jenis yang berbeda - beda,
pada umumnya berkisaran antara minimum 0,2 (kayu biasa) hingga 1,28 (kayu
lara). Kayu lamtoro yang digunakan pada pengujian kompor biomassa ini adalah
kayu yang dipotong – potong kecil dengan panjang ±15 cm. K5ayu lamtoro
6
memiliki nilai kalori sebesar 19.250 kJ/kg. Menurut Haygreen dan Bowyer (1989),
sifat fisik kayu ditentukan dari 3 ciri – ciri yaitu kandungan air, porositas atau
ukuran volume rongga dan organisasi struktur sel. Flash point suatu bahan bakar
berbeda – beda, kayu memiliki flash point pada 300oC, yang mana pada temperatur
tersebut kayu mulai terbakar.
2.4 Udara
Udara adalah suatu campuran gas yang terdapat pada lapisan yang
mengelilingi bumi dan komponen campuran gas tersebut tidak selalu konstan
(Fardiaz, 1992). Udara juga termasuk dalam kategori atmosfer bumi karena berada
di sekeliling bumi dan juga termasuk sebagai jenis sumber daya alam karena
memiliki banyak fungsi bagi makhluk hidup. Apabila makhluk hidup bernapas
maka kandungan oksigen akan berkurang, namun ketika tumbuhan menjalani
system fotosintesis maka oksigen dibebaskan kembali ke atmosfer.
Gambar 2.2 Persentase Campuran Udara
Udara merupakan campuran dari berbagai macam gas yaitu 78% nitrogen,
20.9 % oksigen, 0.9% argon, 0.03% karbon dioksida dan gas – gas lainnya.
Kandungan partikel dalam udara akan berubah tergantung ketinggian permukaan
laut dan massanya akan berkurang semakin tingginya dari permukaan laut.
7
2.4.1 Aliran Fluida
Setiap aliran fluida yang mengalir didalam sebuah pipa harus memasuki
pipa dari suatu lokasi. Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut
dengan daerah masuk (Entrance Region). Aliran udara secara alami dapat diketahui
dengan beberapa hal diantaranya adalah udara akan mengalir dari kondisi
temperature yang rendah (dingin) ke temperatur yang tinggi (panas), selain itu
udara juga akan lebih banyak mengalir melalui jalur ventilasi yang memberikan
tekanan yang kecil dibandingkan dengan jalur yang bertekanan lebih besar
Aliran fluida memiliki berbagai macam aliran tergantung dari medan yang
dilewati oleh fluida tersebut, berikut adalah tipe – tipe aliran fluida:
• Aliran Laminar
Aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan – lapisan yang
membentuk garis – garis alir dan tidak memotong satu sama lain. Selain itu
aliran laminar tidak memiliki arus yang berputar, hanya memiliki aliran
yang lurus dan sejajar. Sebuah aliran disebut laminar ketika Reynolds
number (Re) >2300.
Gambar 2.3 Aliran Laminar
8
• Aliran Turbulen
Aliran fluida yang mempunyai partikel – partikel bergerak secara tidak
beraturan dan tidak stabil dengan kecepatan berfluktuasi yang saling
berinteraksi, akibatnya adalah garis alir antar partikel fluidanya saling
berpotongan atau bertabrakan. Terjadinya aliran turbulen ketika Reynolds
Number lebih besar daripada 4000.
Gambar 2.4 Aliran Turbulen
• Aliran Transisi
Aliran transisi merupakan perubahan aliran dari laminar ke aliran turbulen.
Masing – masing aliran ini berperilaku dengan cara yang tidak sama
tergantung dari minimalnya energi gesek yang dihasilkan. Aliran ini terjadi
ketika Re berada diantara 2300 dan 4000.
Gambar 2.5 Aliran Transisi
9
2.4.2 Vortices
Vortices/vorteks adalah suatu aliran dimana aliran tersebut berputar dan
biasanya menghasilkan turbulen. Gerakan spiral/berputar dengan arah aliran
tertutup disebut dengan aliran vorteks. Gerakan perputaran sebuah aliran dengan
cepat memutari pusatnya disebut sebagai vorteks. Kecepatan vorteks dorongan
adalah nol di pusat dan meningkat secara proporsional sesuai dari jarak pusat
putarannya. Kecepatan dan tingkat rotasi aliran dalam vorteks irotasional atau
bebas, lebih tinggi di pusatnya dan menurun secara perlahan sesuai dari jarak
pusatnya.
Gambar 2.6 Vortex Flow
Aliran vorteks ini sangat membantu dalam pembakaran pada kompor
biomassa ini dikarenakan aliran berputar yang dapat membantu mengurangi jumlah
karbon monoksida dengan cara memutarkan aliran api sehingga gas – gas yang
tersisa dari pembakaran tingkat I dapat bercampur atau terbakar dengan baik
sehingga dihasilkannya pembakaran yang sempurna.
10
2.5 Kompor Biomassa
Kompor biomassa merupakan kompor berbahan bakar biomassa padat
contohnya seperti kayu, tumbuh – tumbuhan, limbah pertanian, sampah dan lain –
lainnya. Selama ini biomasa yang sudah sering digunakaan untuk memasak di
daerah – daerah pedesaan adalah kayu karena bahan bakar tersebut sangat mudah
ditemukan. Namun kualitas pembakaran yang tidak bagus mengakibatkan efisiensi
pembakaran sempurna dan juga apabila pembakaran tidak bagus maka dapat
menimbulkan asap yang dapat merdampak buruk jika terhirup oleh manusia.
Gambar 2.7 Kompor Tradisional
Gas – gas seperti hydrogen (H2), metana (CH4) dan karbon monoksida
(CO) adalah gas yang dihasilkan dari pembakaran dan gas tersebut dapat terbakar
sehingga dapat digunakan menjadi bahan bakar. Agar menghasilkan api yang
nyalanya lebih bersih maka asap yang dihasilkan dari proses pengarangan harus
dibakar lagi untuk kedua kalinya.
11
Gambar 2.8 Struktur Kompor Biomassa Gasifikasi (Nurhuda, 2008)
Komponen – komponen penting yang terdapat pada kompor biomassa adalah
sebagai berikut:
• Lubang Udara
Kompor biomassa ini memiliki 2 macam lubang udara yaitu lubang udara
primer dan lubang udara sekunder, lubang udara ini memiliki fungsi yang
berbeda – beda. Lubang udara primer memiliki fungsi yang membantu
proses pembakaran gasifikasi yang menghasilkan gas. Sedangkan untuk
lubang udara sekunder mempunyai fungsi untuk membakar sisa – sisa gas
yang dihasilkan oleh gasifikasi pada lubang primer.
• Reaktor
Reaktor berfungsi sebagai tempat pembakaran dimana proses gasifikasi dan
pembakaran berlangsung. Bagian reaktor ini terdiri dari 2 lapis yaitu tabung
luar dan tabung dalam.
12
• Burner
Burner adalah tempat terjadinya pembakaran gas hasil gasifikasi yang akan
digunakan untuk memanaskan benda yang berada diatas kompor seperti
panic dll. Burner juga merupakan tempat dimana secondary combustion
terjadi agar api yang dihasilkan lebih bersih dan pembakaran lebih efisien.
2.6 Proses Pembakaran Biomassa
Agar dapat mengoptimasi dan mengontrol proses pembakaran maka
pertama – tama hal yang perlu diketahui adalah mengetahui kondisi – kondisi yang
sangat berpengaruh terhadap pembakaran tersebut. Berikut ini adalah uraian
mengenai setiap tahap yang terjadi dalam proses pembakaran biomassa:
• Pengeringan
Dalam proses ini terjadi penguapan air yang terkandung di dalam
bahan bakar biomassa. Waktu yang dibutuhkan untuk mengubah seluruh air
menjadi uap air tergantung pada kadar air yang dimiliki oleh biomassa yang
digunakan. Semakin rendah kadar airnya, semakin cepat waktu yang
dibutuhkan untuk pengeringan dan semakin besar energi yang dihasilkan
untuk pembakaran.
• Devolatilisasi (pirolisis)
Tahap berikutnya setelah terjadi pengeringan adalah pirolisisi.
Dimana setelah pengeringan selesai maka suhu akan mulai meningkat.
Ketika suhu meningkat dan panas diabsorpsi oleh partikel biomassa,
biomassa terdekomposisi dengan cara bertahap yaitu dimulai dari
hemiselulosa, selulosa dan lignin. Akibatnya adalah biomassa akan
13
melepaskan volatile matter dan menyisakan produk padatan. Bila
dipandang dari sisi pelepasan volatile matter dari biomassa, fenomena ini
disebut dengan devolatilisasi (Roth, 2011).
• Pembakaran Padatan Biomassa
Tahap terakhir dari proses pembakaran suatu bahan bakar padat
adalah pembakaran char. Char dan abu akan tersisa setelah proses
devolatilisasi selesai terjadi. Char merupakan bahan residu yang miskin
akan oksigen dan hydrogen, namun kaya akan karbon. Partikelnya memiliki
patahan dan lubang yang disebabkan oleh hilangnya volatile matter dan gas.
2.7 Pembakaran Tingkat II
Pembakaran tingkat II atau yang bisa juga disebut sebagai secondary
combustion, merupakan pembakaran yang terjadi setelah terjadinya pembakaran
tingkat I (primary combustion) pada kompor biomassa. Sebagian besar volatile
terlepas dengan tidak terbakar sempurna menyebabkan hilangnya nilai kalor kayu,
maka dari itu dengan suplai udara sekunder yang cukup dapat mengembalikan nilai
kalor yang hilang tersebut.
Gambar 2.9 Dua Tahap Pembakaran
14
Fungsi lain dari pembakaran tingkat II adalah untuk mengurangi gas
berbahaya atau gas yang tidak terbakar dengan sempurna yang dihasilkan dari
pembakaran tingkat I seperti karbon monoksida (CO). Sehingga pada pembakaran
tingkat II ini dapat mengurangi emisi polutan yang tidak terbakar dan meningkatkan
suhu pembakaran.
2.8 Gasifikasi
Gasifikasi adalah salah satu proses perubahan yang bertahap dari bahan
bakar padat dengan ketersediaan oksigen yang terbatas sehingga gas yang
dihasilkan masih berpotensi untuk terbakar, dimana hampir semua bahan organic
dari biomassa diubah menjadi gas bahan bakar yang netral dan bersih (Faaji, 2006).
Gasifier biomassa merupakan suatu sistem yang mengubah biomassa padat menjadi
gas dan membakarnya dengan cara yang dapat dikontrol melalui pengaturan suplai
udara (Roth, 2011).
Secara global gasifikasi diklasifikasikan menjadi: up draft, downdraft, dan
Crossdraft (Quakk et al., 1999).
2.8.1 Up Draft Gasifier
Up draft merupakan tipe yang paling sederhana dari gasifikasi. Biomassa
dimasukkan dari bagian atas dan bergerak ke arah bawah menghasilkan gas dan
arang, udara masuk dari bawah dan gas yang dihasilkan keluar ke arah atas. Pada
tipe ini bahan bakar bergerak berlawanan arah dengan zona aliran gas melewati
zona pengeringan, zona distilasi, zona reduksi dan zona pembakaran.
15
Gambar 2.10 Up Draft Gasifier
2.8.2 Down Draft Gasifier
Bahan bakar dimasukkan dari bagian atas kompor begitu juga dengan udara
yang masuk. Kemudian gas yang dikeluarkan dari pembakaran ini akan mengalir
ke bagian bawah reaktor. Aliran biomassa dan udara searah. Keunggulan dari tipe
ini adalah menghasilkan gas yang kandungan tarnya tergolong rendah.
Gambar 2.11 Downdraft Gasifier
16
2.8.3 Cross Draft Gasifier
Seperti pada downdraft, yaitu biomassa dimasukkan melalui atas namun
yang berbeda adalah udara dan gas yang dihasilkan masing – masing berada pada
bagian samping reaktor. Tipe cross draft ini digunakan untuk menghasilkan arang
dari pembakaran dengan kualitas yang tinggi.
Gambar 2.12 Cross draft Gasifier
2.9 Response Surface Methodology
Response Surface Methodology (RSM) atau Metode Permukaan Respon
merupakan kumpulan metode – metode matematika dan statistik teknik untuk
membangun model empiris. Dengan desain eksperimen yang teliti, tujuannya
adalah untuk mengoptimalkan variabel output (respon) yang terpengaruhi oleh
beberapa variabel input (variabel independen). Eksperimen adalah serangkaian tes
yang disebut run, dimana perubahan input dibuat untuk mengidentifikasi alasan
perubahan pada respon output.
17
Pada RSM ini biasanya permukaan respon digambarkan dengan grafik 3D
atau bisa juga disebut dengan 3D plot diagram, yaitu menampilkan sumbu x,y dan
z. Sehingga pada umumnya grafik yang akan ditampilkan terlihat seperti pada
gambar 2.11. Kontur plot sering digunakan karena membantu untuk membaca
bentuk permukaan plot.
Gambar 2.13 Metode Permukaan Respon (RSM)