Teknik Tenaga Listrik Berbasis Energi Baru dan Terbarukan
advertisement
Silabi 1. Pengertian Umum Energi 2. Permasalahan di Bidang Energi 3. Energi Baru dan Terbarukan (EBT) : • Energi Biofuel • Energi Biomassa • Energi Panas Bumi • Energi Air • Energi Surya • Energi Pasang Surut • Energi Ombak • Energi Angin • Energi Osmosis • Energi Magnet • Energi Gravitasi • Energi Radiasi 4. Dasar Konversi Energi 5. Rekayasa Energi Terbarukan Bioenergi • Biomassa : istilah yg digunakan untuk mengelompokkan bahan organik baik dari tumbuhan ataupun hewan yang kaya akan cadangan energi bioenergi • Finlandia, Belanda, Jerman dan Inggris telah memanfaatkan bioenergi dalam skala besar untuk pembangkit listrik. • Di Indonesia, walau potensinya besar, penggunaannya baru dalam skala kecil. Energi Biomassa • Biomassa : bahan biologis yang hidup atau baru mati yang dapat digunakan sebagai sumber bahan bakar atau untuk produksi industrial termasuk limbah terbiodegradasi yang bisa dibakar sebagai bahan bakar • Umumnya merujuk pada materi tumbuhan yang dipelihara untuk digunakan sebagai biofuel, tapi dapat juga mencakup materi tumbuhan atau hewan yang digunakan untuk produksi serat, bahan kimia, atau panas. • Biomassa tidak mencakup materi organik yang telah tertransformasi oleh proses geologis menjadi zat seperti batu bara atau minyak bumi. Contoh Sumber Energi Biomassa Energi yangTerkandung pada Biomassa • Energi yg terkandung pada biomassa (biasa dihitung dalam energi kalor) sangat tergantung pada kandungan airnya makin tinggi kandungan air, makin rendah energinya. • Biomassa memiliki rentang kadar air yang luas : dari sekitar 20% (contoh : kertas kering) hingga 95% (contoh : mikroalga, sisa fermentasi, dlsb). Energi yangTerkandung pada Biomassa • Total biomassa di dunia sekitar 1.800 milyar ton di darat (setara dengan 33.000 EJ) dan 4 milyar ton di laut (setara dengan 73 EJ). 1 EJ = 10x1017J • Kerapatannya : 45.000 ton/km2 (di daratan), 15.000 ton/km2 (di rawa), <1000 ton/km2 (di gurun), dan <3 ton/km2 (di laut). Konversi Biomassa ke Bentuk Sumber Energi 1. Konversi dengan cara pembakaran : konversi klasik di mana biomassa diubah menjadi energi panas pembakaran, biomassa digunakan sebagai bahan bakar pada bentuk aslinya. Energi panas yang dihasilkan selain dapat langsung dimanfaatkan juga dapat diubah menjadi bentuk energi lain (energi listrik, energi mekanis, pendinginan) dengan mempergunakan jalur konversi yang lebih panjang. Konversi Biomassa ke Bentuk Sumber Energi 2. Konversi dengan cara mikrobiologis : menggunakan jasa bakteri untuk mengurai/ mengubah biomassa menjadi bentuk bahan bakar gas yang lebih praktis. Contoh : pembuatan gas bio dari limbah biomassa (sampah, tinja, kotoran ternak, limbah pertanian), menggunakan digester pembuatan etanol dari bahan pati dengan cara fermentasi. Konversi Biomassa ke Bentuk Sumber Energi 3. Konversi dengan cara Pirolisa : biomassa diurai dengan pemanasan di atas 150oC sehingga berubah menjadi unsur karbon (arang), air, beberapa jenis senyawa hidrokarbon dan berbagai jenis gas. Tujuan konversi ini adalah mengubah biomassa menjadi arang yang bisa digunakan sebagai bahan bakar atau dimanfaatkan untuk non energi (misal untuk bahan industri, obat dan kosmetik). Konversi Biomassa ke Bentuk Sumber Energi 4. Konversi dengan cara gasifikasi : biomassa dibakar dengan oksigen terbatas dan menghasilkan arang,tar dan gas. Produk yang dihasilkan bisa dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen. Konversi Biomassa ke Bentuk Sumber Energi 5. Konversi dengan cara densifikasi : biomassa diberi tekanan sehingga terjadi proses pengempaan. Umumnya dilakukan pada biomassa berukuran kecil dan sukar ditangani dalam bentuk aslinya (contoh ; serbuk gergaji, sampah, sekam dll). Hasil pengempaan disebut briket atau pellet dan digunakan sebagai bahan bakar. Tujuan konversi densifikasi memperbaiki bentuk (penampilan), mempermudah penanganan dan penggunaan. Bahan Dasar • Tanaman : menyerap energi matahari proses fotosintesis (memanfaatkan air dan unsur hara dari tanah serta CO2 dari atmosfer) menghasilkan bahan organik untuk memperkuat jaringan dan membentuk daun, bunga atau buah. • Hewan herbivora : tidak mampu berfotosintesa sendiri shg memanfaatkan energi yg telah berubah bentuk menjadi daun, rumput atau yang lain dari bagian tumbuhan secara langsung untuk hidupnya. • Hewan carnivora : memanfaatkan energi yang telah berubah bentuk menjadi daging pada hewan lain. • Biomassa dari bahan tanaman : limbah pertanian, limbah industri pengolahan kayu, jerami, sekam atau dari tanaman yang memang ditanam secara khusus utk menghasilkan bioenergi biomassa kering • Industri kayu menghasilkan + 50% limbah yang bisa dimanfaatkan sebagai biomassa. • Pada umumnya pemanfaatan biomassa kering dengan cara pembakaran untuk menghasilkan panas memanaskan air uap yang dihasilkan memutar turbin memutar generator energi listrik. • Biomassa dari hewan dan rumah tangga : limbah peternakan (kotoran) dan limbah/sampah rumah tangga. biomassa basah. • Kotoran ternak diubah melalui proses anaerobik untuk menghasilkan biogas dengan komposisi : 60% CH4 (metana), 38% CO2, dan 2% gas N2, H2, H2S dan O2. Siklus Biomassa Energi Biogas • Biogas yang dihasilkan oleh mikroorganisme merupakan campuran gas yang terdiri atas metana (CH4), karbon dioksida, hidrogen, nitrogen dan gas lain seperti H2S. • Jumlah metana dalam biogas 54–70%, karbon dioksida 27–43%, gas lainnya memiliki persentase kecil. • Tingkat metana dalam biogas menentukan seberapa besar nilai kalor biogas (nilai kalor metana: 590 – 700 Kcal/m3). • Energi dalam biogas tak kalah dg bahan bakar gas yang berasal dari sumber lainnya. Sebagai perbandingan, coalgas dan watergas masing-masing memiliki kalor spesifik 586 Kcal/m3 dan 302 Kcal/m3. Nilai kalor biogas masih di bawah gas alam (967 Kcal/m3). Digestifikasi Bahan Organik Bakteri Anaerobik Alamiah Dalam Air (Rawa) Biogas Humus Buatan Dalam Usus (Hewan) Biogas Digester Tinja Biogas Pupuk Cair Energi Biogas (lanjut) Energi Biogas (lanjut) WARTAZOA Vol. 16 No. 3 Th. 2006 Energi Biogas (lanjut) Energi Biogas (lanjut) Kesetaraan Elpiji 0,46 kg 1 m3 biogas Minyak tanah 0,62 liter Minyak solar 0,52 liter Kayu bakar 3,5 kg Faktor yg Mempengaruhi Terbentuknya Biogas • Pengaruh pH dan Alkalinitas : Alkalinitas besaran yg menunjukkan jumlah karbonat dalam larutan. Keasaman (pH) sangat berpengaruh terhadap proses dekomposisi anaerobik, karena bakteri yang terlibat dalam proses ini hanya bisa bertahan hidup pada interval pH 6,5-8. • Pengaruh Suhu : Bakteri anaerob sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Suhu optimum utk terjadinya proses dekomposisi anaerobik adalah sekitar 35oC. Bila suhu terlalu rendah aktivitas bakteri akan menurun dan mengakibatkan produksi biogas akan menurun. Bila suhu terlalu tinggi bakteri akan mati dan produksi biogas akan terhenti. • Ukuran Reaktor Biogas (digester anaerob) : semakin besar semakin banyak gas dihasilkan. Nisbah C/N • Nisbah karbon (C) dan nitrogen (N) berpengaruh pd kondisi kerja bakteri anaerobik. • Jika C/N rendah maka nitrogen akan terlepas dan berkumpul membentuk amoniak shg menaikkan pH. • Jika pH >8.5 maka bakteri akan terracuni sehingga mati dan proses berhenti. • Agar ideal bahan dg C/N tinggi dicampur dengan bahan dg C/N rendah. Jenis Reaktor Biogas (Digester) • Reaktor kubah tetap (Fixed-dome) : disebut juga reaktor China karena dibuat pertama kali di China pd th. 1930-an, Reaktor ini memiliki 2 bagian yaitu digester sebagai tempat pencerna material biogas dan sebagai rumah bagi bakteri, baik bakteri pembentuk asam ataupun bakteri pembentu gas metana.. Strukturnya harus kuat krn hrs menahan gas agar tidak terjadi kebocoran. Bagian yang kedua adalah kubah tetap (fixed-dome). Dinamakan kubah tetap karena bentuknya menyerupai kubah dan bagian ini merupakan pengumpul gas yang tidak bergerak (fixed). Gas yang dihasilkan dari material organik pada digester akan mengalir dan disimpan di bagian kubah. Reaktor Kubah Tetap • Keuntungan : biaya konstruksi lebih murah dibanding reaktor terapung dan perawatannya lebih mudah. • Kerugian : sering terjadi kehilangan gas pada bagian kubah, tekanan gas tidak stabil/fluktuatif. Jenis Reaktor Biogas (Digester) • Reaktor floating drum : pertama kali dikembangkan di India pada tahun 1937 disebut Reaktor India. Memiliki bagian digester yang sama dengan reaktor kubah, perbedaannya terletak pada bagian penampung gas menggunakan peralatan bergerak menggunakan drum. • Drum bisa bergerak naik turun yang berfungsi untuk menyimpan gas hasil fermentasi dalam digester. Pergerakan drum mengapung pada cairan dan tergantung dari jumlah gas yang dihasilkan. Reaktor Floating Drum • Keuntungan : bisa melihat langsung volume gas yang tersimpan pada drum karena pergerakannya. Karena tempat penyimpanan yang terapung sehingga tekanan gas konstan. • Kerugian : biaya material konstruksi dari drum lebih mahal, drum mudah berkarat shg bagian pengumpul gas memiliki umur yang lebih pendek dibandingkan jenis kubah tetap. • Jenis Balloon Plant : Metana • Metana bisa digunakan sebagai bahan bakar digunakan untuk berbagai keperluan termasuk menggerakkan generator listrik. • Jika konsentrasi gas metana kurang dari 65% hanya cocok untuk kompor gas harus dilakukan pemurnian. • Hasil eksperimen : kotoran 2 ekor sapi bisa menghasilkan biogas utk menyalakan 2 buah lampu 45 watt selama 5 jam. • Sampah rumah tangga sebagian besar berupa bahan organik (74%) dan sisanya (26%) berupa bahan yang sulit terurai, cukup banyak digunakan untuk biogas. • Secara umum, unsur dalam sampah yang dapat dimanfaatkan menjadi biogas adalah sebesar 69% saja. • Sampah rumah tangga yang volumenya amat besar di perkotaan seharusnya bisa dimanfaatkan untuk pembangkitan energi listrik. Pemanfaatan Biogas • Biogas digunakan pada mesin bakar internal untuk menghasilkan energi gerak. • Biogas juga bisa menggerakkan turbin gas sebagai penghasil tenaga gerak dengan cara membakar gas metana hingga menghasilkan tekanan gas. Pemanfaatan Biogas Potensi Biogas di Indonesia • Besarnya potensi limbah biomassa padat di seluruh Indonesia 49.807,43 MW. (SOEPARDJO, 2005) • Sumber bahan baku biogas tersedia secara melimpah dan belum dimanfaatkan secara maksimal. • Biomassa seperti kayu, dari kegiatan industri pengolahan hutan, pertanian dan perkebunan, limbah kotoran hewan, (sapi, kerbau, kuda, dan babi) juga dijumpai di seluruh provinsi Indonesia dengan kualitas yang berbeda-beda. • Secara umum, penggunaan limbah pertanian sebagai bahan dasar biogas lebih sulit dibandingkan kotoran ternak, waktu yang dibutuhkan untuk proses hidrolisis bahan selulosa dari limbah pertanian lebih lama. Mengapa Biogas belum populer di Indonesia ? • Kurang sosialisasi. • Teknologi yang diterapkan kurang praktis dan perlu pemeliharaan yang seksama. • Kurangnya pengetahuan masyarakat (terutama para petani dan peternak) tentang pemeliharaan digester. Padahal di Luar Negeri… • Tanzania : membuat model integrasi sumber bahan baku yang berasal dari limbah kota dan industri untuk menghasilkan tenaga listrik dan pupuk. • Cina : produksi biogas dalam skala kecil sudah umum dilakukan di pedesaan. Akhir 1993, seperempat juta petani telah mempunyai digester biogas, dengan produksi metan sekitar 1,2 miliar m3 per tahun. • India : teknologi biogas telah berkembang dan didiseminasikan secara luas untuk memenuhi kebutuhan energi di pedesaan, misalnya untuk pompa irigasi dan listrik. Sampai saat ini telah dibangun lebih dari 2 juta digester dan menyumbangkan hampir 200.000 pekerjaan tetap (KAROTTKI dan OLESEN, 1997). Setiap orang yang membangun instalasi biogas berhak mendapat sumbangan uang dari pemerintah pusat. Padahal di Luar Negeri…(lanjut) • Kenya : teknologi biogas telah diperkenalkan sejak 1950. Tahun 1958 Tunnei Technology Limited membangun sekitar 150 instalasi biogas di beberapa negara bagian tersebut. Ada sekitar 600.000 peternak yang memiliki 2 - 6 sapi dengan sistem gembala yg berpotensi untuk proyek biogas. (NJOROGE, 2002) • Denmark : telah sangat maju dlm hal pengembangan, pemasaran dan ekspor renewable energy yang berasal dari angin dan biomasa . • Jerman : produksi biogas merupakan salah satu yang paling pesat dan telah dibangun beberapa ratus konstruksi biogas (HARTMANN dan AHRING, 2005)
