BAB II DASAR TEORI 2.1 Biomassa 2.1.1 Pengertian Biomassa

BAB II
DASAR TEORI
2.1 Biomassa
2.1.1 Pengertian Biomassa
Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintentis,
baik berupa produk maupun buangan. Biomassa juga digunakan sebagai sumber
energi (bahan bakar). Secara umum yang digunakan sebagai bahan bakar adalah
biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil
produk primernya. Sumber energi yang dapat diperbarui sehingga dapat
menyediakan sumber energi secara berkesinambungan. Di Indonesia, biomassa
merupakan sumber energi alam yang sangat penting dengan berbagai produk primer
berupa bahan pangan, serat kayu dan lain lain yang selain digunakan untuk
memenuhi kebutuhan domestic juga di ekspor dan menjadi tulang punggung
penghasil devisa negara.
Jumlah biomassa di Indonesia yang biasa digunakan sebagai sumber energi
sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan semuanya
potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan menghasilkan
limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk keperluan lain seperti
bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati memberikan
tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efesiensi energi, secara keseluruhan
karena kandungan energi yang terdapat pada limbah cukup besar dan akan terbuang
percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua, penghematan biaya, karena seringkali
membuang limbah biasa lebih mahal dari pada memanfaatkannya. Ketiga,
mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karena penyediaan tempat
penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan.
Selain pemanfaatan limbah, biomassa sebagai produk utama untuk sumber energi
juga akhir-akhir ini dikembangkan secara pesat. Kelapa sawit, jarak, kedelai
merupakan beberapa jenis tanaman yang produk utamanya sebagai bahan baku
pembuatan biodiesel.
2.1.2 Biomassa Kulit Kopi
Kopi (coffea sp.) adalah spesies tanaman berbentuk pohon yang termasuk
dalam keluarga rubiaceae dan genus coffea. Tanaman ini berbentuk tegak, bercabang
dan bila dibiarkan tumbuh dapat mencapai tinggi 12 m. Jenis kopi yang banyak
diusahakan di Indonesia yaitu Robusta dan Arabika, meskipun dulu ada kopi jenis
Liberika di tanam di Indonesia, tapi sekarang sulit di jumpai jenis tanaman tersebut.
Pohon kopi dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.1 Tanaman Kopi
Dalam proses pengolahan kopi secara basah akan menghasilkan limbah padat
berupa kulit buah pada proses pengupasan buah (pulping) dan kulit tanduk pada saat
penggerbusan (hulling). Kadar c-organik kulit buah kopi adalah 45,3 %, kadar
nitrogen 2,98 %, fosfor 0,18 % dan kalium 2,26 %. Selain itu kulit buah kopi juga
mengandung Ca, Mg, Mn, Fe, Cu dan Zn. Kulit kopi selama ini tidak mengalami
pemprosesan di pabrik karena yang digunakan hanya biji kopi yang kemudian
dijadikan bubuk kopi instan.
2.1.3 Produk Biomassa
Ada tiga tipe bahan bakar yang dihasilkan oleh biomassa dan dipergunakan
untuk berbagai macam kebutuhan, antara lain :

Cairan berupa
: ethanol, biodiesel dan methanol.

Gas berupa
: biogas (CH4, CO2), producer gas (CO2, H2,
CH4, CO2), syngas (CO2, H2).

Padat
: arang, briket.
Penggunaan ethanol dan biodiesel sebagai bahan bakar kendaraan transportasi
dapat mengurangi emisi gas CO2. Oleh karena itu biomassa bukan hanya energi
terbarukan tapi juga bersih atau ramah lingkungan, dan dapat digunakan sebagai
sumber energi secara global.
Biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia,
kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia masih sangat kecil.
Pemahaman keterbatasan dari sumber energi fosil dan kepedulian terhadap
kelangsungan penyediaan sumber energi. Akan tetapi harga dan energi yang terus
menerus menurun saat ini menyebabkan perkembangan teknologi tidak begitu pesat.
Maka pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh
penggunaan energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto protocol yang
membatasi emisi CO2 yang diperbolehkan dilepas ke udara bebas.
2.2 Konversi Thermokimia dan Pengertian Gasifikasi Biomassa
2.2.1 Konversi Thermokimia
Biomassa memiliki tiga metode konversi thermokimia yaitu pirolosis,
gasifikasi dan pembakaran (pengarangan). Perbedaan jenis konversi thermokimia
tersebut terletak pada banyaknya udara (oksigen) yang dikonsumsi saat proses
konversi berlangsung. AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke
reaktor. Hal ini mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah
bahan bakar padat menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran
blower yang dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan
tingkat konsumsi bahan bakar (FCR), udara stokiometri (SA) dari bahan bakar dan
rasio equivalensi (  ) untuk gasifikasi 0,3 sampai 0,4.
Gambar 2.2 Grafik Batasan Konversi Thermokimia Biomassa (Putri, 2009)
2.2.2 Gasifikasi Biomassa
Gasifikasi adalah suatu proses konversi thermokimiawi dari bahan bakar yang
mengandung karbon menjadi gas yang disebut syngas (synthetic gas) atau gas
sintesis dimana gas tersebut memiliki nilai bakar dengan cara oksidasi parsial pada
temperature tinggi. Tetapi sejauh ini teknologi ini umumnya masih terbatas pada
skala penelitian karena konsumsi energi yang dibutuhkannya sangat besar. Namun
ada juga beberapa negara yang telah menerapkan teknologi ini pada bidang
pembangkit listrik, dimana gas yang dihasilkan oleh reaktor gasifikasi dipakai untuk
menggerakkan generator. Terdapat berbagai jenis gasifier dan beberapa dapat
dibedakan berdasarkan :

Mode Fluidisasi.

Arah Aliran.

Gas yang diperlukan untuk proses gasifikasi.
Berdasarkan mode fluidisasinya, jenis gasifier dapat dibedakan menjadi
gasifikasi unggun tetap (fixed bed gasification), gasifikasi unggun bergerak (moving
bed gasification), gasifikasi unggun terfluidisasi (fluidizied bed gasification) dan
entrained bed.
Berdasarkan arah aliran, gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran
searah (downdraft gasification), gasifikasi aliran berlawanan (updraft gasification)
dan gasifikasi aliran menyilang (crossdraft gasification). Pada gasifikasi downdraft,
arah aliran gas dan arah aliran padatan adalah sama-sama ke bawah. Pada gasifikasi
updraft, arah aliran padatan sedangkan arah aliran gas mengalir ke atas. Sedangkan
gasifikasi crossdraft, arah aliran gas dijaga mengalir mendatar dengan aliran padatan
ke bawah. Jenis-jenis gasifier ini juga termasuk tipe moving bed gasifier.

Updraft Gasifier

Downdraft Gasifier

Crossdraft Gasifier
Gambar 2.3 Skema Gasifier Updraft, Downdraft dan Crossdraft)
Berdasarkan gasifiying yang diperlukan untuk proses gasifikasi, terdapat
gasifikasi udara dan gasifikasi oksigen/uap. Gasifikasi udara adalah metode dimana
gas yang digunakan untuk proses gasifikasi adalah udara. Sedangkan untuk gasifikasi
uap, gas yang digunakan pada proses yang terjadi adalah uap. Penelitian
menggunakan downdraft gasifier, dengan gasifying agent udara, karena kemampuan
dan kelebihannya meskipun
memiliki beberapa kekurangan. Berikut ini adalah
kelebihan dan kekurangan ketiga jenis reaktor tersebut yang akan diuraikan pada sub
bab berikutnya.
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis Gasifier
Tipe Gasifier
Kelebihan
Updraft
- Menghasilkan pembakaran
yang sangat bersih.
- Lebih mudah dioperasikan
- Arang yang dihasilkan lebih
sedikit
Downdraft
- Dapat beroperasi secara
kontinyu dan suhu gas tinggi
Kekurangan
- Menghasilkan sedikit
metan
- Tidak dapat beroperasi
secara continyu
- Gas ynag dihasilkan tidak
kontinyu
- Tar yang dihasilkan lebih
banyak
- Produksi asap terlalu
banyak saat beroperasi
- Menghasilkan arang lebih
banyak
Crossdraft
-
Suhu gas yang keluar tinggi
Reduksi CO2 rendah
Kecepatan gas tinggi
Tempat penyimpanan,
pembakaran dan zona reduksi
terpisah
- Kemampuan pengoprasiannya
sangat bagus
- Waktu mulai lebih cepat
- Komposisi gas yang
dihasilkan kurang bagus
- Gas CO yang dihasilkan
tinggi, gas H rendah
- Gas metan yang dihasilkan
juga rendah
2.2.3 Jenis-jenis Gasifier
Dari penjelasan pada sub bab sebelumnya, berdasarkan arah aliran gasnya,
gasifier dapat dibedakan menjadi gasifikasi aliran searah (downdraft gasification),
gasifikasi aliran berlawanan (downdraft gasification) dan gasifikasi aliran menyilang
(crossdraft gasification).
a) Updraft Gasifier.
Pada bagian ini pembakaran berlangsung di bagian bawah dari tumpuan
bahan bakar dalam silinder, gas hasil pembakaran akan mengalir ke atas
melewati tumpuan bahan bakar sekaligus mengeringkannya. Bahan bakar
dimasukkan ke dalam ruang bakar dari lubang pemasukan atas.
Gambar 2.4 Skema Updraft Gasifier
b) Crossdraft Gasifier.
Udara disemprotkan ke dalam bahan bakar dari lubang arah samping
yang saling berhadapan dengan lubang pengambilan gas sehingga
pembakaran dapat terkonsentrasi pada satu bagian saja dan berlangsung
secara lebih banyak dalan suatu satuan waktu tertentu.
Gambar 2.5 Skema Crossdraft Gasifier
c) Downdraft Gasifier.
Gas hasil pembakaran dilewatkan pada bagian oksidasi dari
pembakaran dengan cara ditarik mengalir ke bawah sehingga gas yang
dihasilkan akan lebih bersih karena tar dan minyak akan terbakar sewaktu
melewati bagian tadi.
Gambar 2.6 Skema Downdraft Gasifier
2.2.4 Tingkatan-Tingkatan Pembagian Daerah Pembakaran Gasfikasi
 Zona Pengeringan
Bahan bakar padat dimasukkan ke dalam reactor. Hal ini tidak perlu
menggunakan peralatan pengumpanan bahan bakar yang kompleks, karena
sejumlah kecil kebocoran udara dapat toleransi di tempat ini. Sebagai akibat
dari perpindahan panas dari bagian bawah gasifier, pengeringan bahan bakar
biomassa terjadi dibagian bungker. Uap air akan mengalir ke bawah dan
menambah uap air yang terbentuk di daerah oksidasi. Bagian dari itu dapat
direduksi menjadi hidrogen dan sisanya akan berakhir sebagai kelembaban
dalam gas.
 Zona pirolisis
Tidak seperti pembakaran, pirolisis terjadi pada tempat yang tidak
terdapat oksigen, kecuali dalam kasus dimana oksidasi parsial diperbolehkan
untuk menyediakan energi thermal yang dibutuhkan untuk proses gasifikasi.
Terdapat tiga variasi antara lain :
a) Mild Pyrolysis.
b) Slow Pyrolysis.
c) Fast Pyrolysis.
Pada pyrolysis molekul besar hydrocarbon dipecah menjadi partikel
kecil hydrocarbon. Fast pyrolysis hasil utamanya adalah bahan bakar cair,
slow pyrolsis menghasilkan gas dan arang. Mild pyrolysis yang saat ini
sedang dipertimbangkan untuk memanfaatkan biomassa yang efektif. Pada
proses ini biomassa dipanaskan 200-300oC tanpa kontak dengan oksigen.
Struktur kimia dari biomassa diubah, dimana menghasilkan karbon dioksida,
karbon monoksida, air, asam asetat, dan methanol. Mild pyrolisis
meningkatkan densitas energi dari biomassa.
Pada suhu di atas 250oC, bahan bakar biomassa dimulai pyrolysing.
Rincian pyrolysis ini reaksi yang tidak dikenal, tetapi orang biasa menduga
bahwa molekul-molekul besar (seperti selulosa, hemi-selulosa dan lignin)
terurai menjadi molekul berukuran sedang dan karbon (char) selama
pemanasan bahan baku. Produk pirolisis mengalir ke bawah zona pemanasan
pada gasifier. Beberapa akan terbakar di daerah oksidasi, dan sisanya akan
memecah molekul yang lebih kecil dari hydrogen, metan, karbon monoksida,
etana, etilena, dan lain-lain jika tetap berada di zona panas cukup lama. Jika
waktu tinggal di zona panas terlalu pendek atau suhu terlalu rendah, maka
molekul yang berukuran menengah akan berpindah dan mengembun sebagai
tar dan minyak, dalam suhu rendah bagian dari system. Secara umum reaksi
yang terjadi pada pirolysis beserta produknya adalah :
Biomassa
char + tar + gases (CO2, CO, H2O, H2CH4, CxHy)........(2.1)
 Zona Oksidasi
Dibentuk pada tingkat dimana oksigen (udara) dimasukkan. Reaksi
dengan oksigen sangat eksostermik dan mengakibatkan kenaikan tajam suhu
sampai 1200°C. sebagaimana yang dibutuhkan di atas, fungsi penting zona
oksidasi, selain penghasil
panas,
adalah
untuk mengkonversi
dan
mengoksidasi hampir semua produk terkondensasi dari zona pirolisis. Untuk
menghindari titik-titik dingin di zona oksidasi, kecepatan udara masuk dan
geometri reaktor harus dipilih dengan baik. Umumnya dua metode yang
digunakan untuk mendapatkan suhu yang terdistribusi :
a) Mengurangi luas penampang pada ketinggian tertentu dari reaktor.
b) Penyebaran nozel inlet udara di atas lingkaran mengurangi crosssectional area, atau alternatif menggunakan inlet udara sentral dengan
perangkat penyemprotan.
 Zona Reduksi
Produk reaksi dari zona oksidasi (gas panas dan bara arang) bergerak
turun ke zona reduksi. Di zona ini panas masuk secara sensible dari gas dan
arang yang dikonversi sebanyak mungkin menjadi energi kimia dari gas
produser. Produk akhir dari reaksi kimia yang terjadi di zona reduksi adalah
gas mudah terbakar yang dapat digunakan sebagai bahan bakar gas pada
pembakaran motor dalam dan sedikit abu.
Abu yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa kadang-kadang harus
dibuang dari reaktor. Biasanya akan timbul perapiaan di dasar peralatan dan
dengan demikian membantu untuk mencegah penyumbatan yang dapat
menyebabkan obstruksi aliran gas. Berikut adalah reaksi kimia yang terjadi
pada zona tersebut :
Reaksi Bourdouar :
C + CO2
2 CO – 172 (MJ/Kmol).....................................(2.2)
Reaksi Karbon-Uap :
C + H2O
CO + H2 - 131 (MJ/Kmol)..................................(2.3)
Reaksi Pergeseran Air-Gas :
C + H2O
HO2 + H2 + 41 (MJ/Kmol)..................................(2.4)
Methanation CO :
C + 3H2
206 (MJ/Kmol)
CH4 + H2O...............................(2.5)
2.2.5 Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi
Proses gasifikasi memiliki beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses
dan kandungan syngas yang dihasilkannya. Faktor-faktor tersebut adalah:

Properties Biomassa
Tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi karena
ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada system
gasifikasi berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya. Pendefinisian bahan
baku gasifikasi ini dimaksudkan untuk membedakan anatara bahan baku yang baik
dan yang kurang baik. Adapun beberapa parameter yang dipakai untuk
mengklarifikasikannya yaitu :
a) Kandungan Energi
Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomassa maka
syngas hasil gasifikasi biomassa tersebut semakin tinggi karena energi yang
dikonversi juga semakin tinggi.
b) Moisture
Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya bermoisture rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat
loss yang tinggi. Selain itu kandungan moisture yang tinggi juga dapat
menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang
terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan
baku gasifikasi kurang dari 20%.
c) Debu
Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan dust (debu). Adanya dust
ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga
membutuhkan perawatan lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya
menghasilkan kandungan dust yang tidak lebih dari 2-6 g/m³.
d) Tar
Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan
harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Sesungguhnya tar adalah cairan
hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik.
Selain itu, tar memiliki bau yang tajam dan dapat mengganggu pernapasan.
Pada reaktor gasifikasi, terbentuknya tar yang memiliki bentuk opproximate
atomic CH 1.2, O 0.5 terjadi pada temperatur pirolisis yang kemudian
terevaporasi dalam bentuk asap, namun pada beberapa kejadian tar dapat
berupa zat cair pada temperatur yang rendah. Apabila hasil gas yang
mengandung tar relatip tinggi dipakai pada kendaraan bermotor, dapat
menimbulkan
deposit
pada
karburator
dan
intake
valve
sehingga
menyebabkan gangguan. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan
tar tidak lebih dari 1g/m³.
e) Ash dan Slugging
Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang
tetap berupa oksida setelah proses pembakaran. Sedangkan slug adalah
kumpulan ash yang lebih tebal. Pengaruh adanya ash dan slug pada gasifier
adalah

-
Menimbulkan penyumbatan pada gasifier.
-
Pada titik tertentu, mengurangi respon pereaksi bahan baku.
Desain Reaktor
Terdapat berbagai macam bentuk gasifier yang pernah dibuat untuk proses
gasifikasi. Untuk gasifier bertipe imbert yang memiliki neck di dalam reaktornya,
ukuran dan dimensi neck sangat mempengaruhi proses pirolisis, percampuran,
heatloss dan nantinya akan mempengaruhi kandungan gas yang dihasilkan.

Jenis Gasifying Agent
Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah udara
dan kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis gasifying agent mempengaruhi
kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Berdasarkan penelitian, perbedaan
kandungan syngas terlihat pada kandungan nitrogen pada syngas dan mempengaruhi
nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa
nitrogen yang pekat di dalam syngas, berlawanan dengan penggunaan oksigen/uap
yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit. Sehingga penggunaan
gasifying agent oksigen/uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik
dibandingkan gasifying agent udara.

Rasio Bahan Bakar dan Udara (AFR)
Perbandingan bahan bakar dan udara dalam proses gasifikasi mempengaruhi
reaksi yang terjadi dan tentu saja pada kandungan syngas yang dihasilkan.
Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada diantara batas konversi energi
pirolisis dan pembakaran. Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika menginginkan
hasil syngas yang maksimal. Pada gasifikasi biomassa AFR yang tepat untuk proses
gasifikasi berkisar pada angka 1,25 – 1,5.
2.3 Parameter-Parameter Penting dalam Proses Gasifikasi
Parameter-parameter penting yang harus dipertimbangkan dalam proses
gasifikasi, yaitu:
a)
Temperatur Gasifikasi
Temperatur gasifikasi harus tinggi karena dalam tahap pertama gasifikasi
adalah pengeringan untuk menguapkan kandungan air agar menghasilkan gas yang
bersih. Temperatur yang tinggi juga dapat berpengaruh dalam menghasilkan gas
yang mudah terbakar. Untuk mempertahankan temperatur, maka tangki reaktor
diisolasi dengan bata tahan api agar tidak ada panas yang keluar ke lingkungan
sehingga efisiensi reaktor menjadi baik.
b)
Spesific Gasification Rate (SGR)
SGR mengindikasikan banyaknya biomassa rata-rata yang dapat tergasifikasi
dalam gasifier. Jika SGR semakin besar maka proses gasifikasi tidak dapat berjalan
secara sempurna., sebaliknya jika SGR semakin kecil maka proses gasifikasi berjalan
lambat. SGR dapat dihitung dengan cara :
SGR =
c)
berat biomassa  berat arang
(kg/m3.dt)……………………….......(2.6)
luas x waktu
Fuel Consumtion Rate (FCR)
Biomassa yang dibutuhkan pada proses gasifikasi dapat dihitung menggunakan
rumus :
FCR =
berat biomassa tergasifik asi
waktu operasiona l
FCR =
berat biomassa  berat arang
(kg/dt)……………………………….(2.7)
waktu operasiona l
d)
Gas Fuel Ratio (GFR)
GFR (Gas Fuel Ratio) dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut :
GFR =
e)
laju aliran gas producer
……………………………………………(2.8)
FCR
Persentase Char
Persentase char adalah perbandingan banyaknya arang yang dihasilkan dengan
banyaknya biomassa yang dibutuhkan. % char dapat dihitung menggunakan rumus :
% char =
f)
arang
x 100%....................................................................(2.9)
berat biomassa
Waktu Konsumsi Bahan Bakar
Hal ini mengacu pada total waktu yang dibutuhkan untuk benar-benar
mengubah bahan bakar padat menjadi gas di dalam reaktor. Ini termasuk waktu
untuk menyalakan bahan bakar padat dan waktu untuk menghasilkan gas, ditambah
waktu untuk benar-benar membakar semua bahan bakar dalam reaktor. Kepadatan
dari bahan bakar padat (  ), volume reaktor (Vr), dan tingkat konsumsi bahan bakar
(FCR) adalah faktor yang digunakan dalam menentukan total waktu untuk
mengkonsumsi bahan bakar padat dalam reaktor. Seperti ditunjukkan di bawah ini,
dapat dihitung menggunakan rumus :
t=
 x Vr
……………………………………………………………………(2.10)
FCR
Dimana :
FCR
= Fuel Consumtion Rate (kg/jam)
t
= Waktu konsumsi bahan baku (jam)

= Massa jenis bahan baku (kg/m3)
Vr
= Volume reaktor (m3)
g)
Air Fuel Rate (AFR)
AFR adalah tingkat aliran udara primer yang masuk ke reaktor. Hal ini
mengacu pada laju aliran udara yang diperlukan untuk mengubah bahan bakar padat
menjadi gas. Hal ini sangat penting dalam menentukan ukuran blower yang
dibutuhkan untuk reaktor. Ini dapat ditentukan dengan menggunakan tingkat
konsumsi bahan bakar (FCR), udara stokiometri dari bahan bakar (SA) dan rasio
equivalensi (  ) untuk gasifying 0,3 sampai 0,4. Seperti ditunjukkan menggunakan
rumus :
AFR =
 x FCR x SA
……………………………………………….………(2.11)
a
Dimana
h)
AFR
= Air Fuel Rate (tingkat aliran udara) (m3/jam)
FCR
= Fuel Consumtion Rate (kg/jam)
a
= Massa jenis udara (kg/m3)

= Rasio equivalensi (0,3-0,4)
SA
= Udara stokiometri dari bahan bakar padat
Energi yang Dibutuhkan
Hal ini mengacu pada jumlah panas yang harus dipasok oleh gasifier. Hal ini
dapat ditentukan berdasarkan massa air yang harus direbus. Jumlah energi yang
diperlukan, dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
Es = m.Cp.  T………………………………………………………..……(2.12)
Qn =
m x Es
…………………………………………………………..……(2.13)
t
Dimana :
Qn
= Energi yang dibutuhkan (kJ/jam)
m
= Massa air (kg)
Es
= Energi spesifik (kJ/kg)
t
= Waktu proses (jam)
Cp
= kalor spesifik (Kj/kg.K)
T
= Antara Tawal-Takhir (K)
i)
Kebutuhan Bahan Bakar
Energi input ini mengacu pada jumlah energi yang diperlukan dalam hal bahan
bakar yang akan dimasukkan ke dalam gasifier. Hal ini dapat ditentukan dengan
mengguanakan rumus :
Energi infut
= Ʃ nilai kalor bahan bakar
= Ʃ nilai bahan bakar tiap variasi
= persentae bahan bakar A x nilai kalor bahan bakar + persentae
bahan bakar B x nilai kalor bahan bakar …...........................(2.14)
2.4 Pembakaran Bahan Bakar
2.4.1 Prinsip Pembakaran Bahan Bakar
Prinsip pembakaran bahan bakar sejatinya adalah reaksi kimia bahan bakar
dengan oksigen (O). Kebanyakan bahan bakar mengandung unsur karbon (C),
hidrogen (H) dan belerang (S). Akan tetapi yang memiliki kontribusi yang penting
terhadap energi yang dilepaskan adalah C dan H. Masing-masing bahan bakar
mempunyai kandungan unsur C dan H yang berbeda-beda.
Proses pembakaran terdiri dari dua jenis yaitu pembakaran lengkap (complete
combustion) dan pembakaran tidak lengkap (incomplete combustion). Pembakaran
sempurna terjadi apabila seluruh unsur C yang bereaksi dengan oksigen hanya akan
menghasilkan CO2, seluruh unsur H menghasilkan H2O dan seluruh unsur S
menghasilkan SO2. Sedangkan pembakaran tidak sempurna terjadi apabila seluruh
unsur C yang dikandung dalam bahan bakar bereaksi dengan oksigen dan gas yang
dihasilkan tidak seluruhnya CO2. Keberadaan CO pada hasil pembakaran
menunjukkan bahwa pembakaran berlangsung secara tidak sempurna.
Jumlah energi yang dilepaskan pada proses pembakaran dinyatakan sebagai
entalpi pembakaran yang merupakan beda entalpi antara produk dan reaktan dari
proses pembakaran sempurna. Entalpi pembakaran ini dapat dinyatakan sebagai
Higher Heating Value (HHV) atau Lower Heating Value (LHV). HHV diperoleh
ketika seluruh air hasil pembakaran dalam wujud cair, sedangkan LHV diperoleh
ketika seluruh hasil pembakaran dalam bentuk uap.
Pada umumnya pembakaran tidak menggunakan oksigen murni, melainkan
memanfaatkan oksigen yang ada di udara. Jumlah udara minimum yang diperlukan
untuk menghasilkan pembakaran lengkap disebut sebagai jumlah udara teoritis atau
stokiometri. Akan tetapi pada kenyataannya untuk pembakaran sempurna, udara
yang dibutuhkan melebihi jumlah udara teorotis. Kelebihan udara dari jumlah udara
teorotis disebut sebagai excess air yang umumnya dinyatakan dalam persen.
Parameter yang sering digunakan untuk mengkuantifikasi jumlah udara dan bahan
bakar pada proses pembakaran tertentu adalah rasio udara-bahan bakar. Apabila
pembakaran lengkap terjadi ketika jumlah udara sama dengan jumlah udara teoritis
maka pembakaran tersebut sebagai pembakaran sempurna. Umumnya excess air
diambil 30% dari kebutuhan udara stokiometri.
2.4.2 Nilai Pembakaran
Bila dalam 1 kg bahan bakar yang terdiri C kg karbon, H kg hidrogen, O kg
oksigen, S kg belerang, N kg nitrogen, A kg abu, W kg air, maka dapat dihitung nilai
pembakaran atau heating value dari bahan bakar tersebut yaitu jumlah panas yang
dihasilkan dari pembakaran sempurna dari 1 kg bahan bakar yang dimaksud
berdasarkan rumus-rumus berikut :
Qhigh
= 33915 C + 144033 (H -
O
) + 10648 S (kJ/kg)……………….……(2.15)
8
Qlow
= 33915 C + 121423 (H -
O
O
) + 10648 S – 2512 (W + 9 x ) (kJ/kg)...(2.16)
8
8
Qhigh adalah nilai pembakaran tertinggi atau highest heating value yang dalam
hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran dicairkan terlebih dahulu,
sehingga panas pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas
pembakaran yang terbentuk.
Qlow adalah nilai pembakaran terendah atau lowest heating value yang dalam
hal ini uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih
dahulu, sehingga panas pengembunannya tidak turut dihitung serta tidak dinilai
sebagai panas pembakaran yang terbentuk.
2.4.3 Jumlah Udara Pembakaran
Jika susunan bahan bakar diketahui, maka dapat dihitung jumlah kebutuhan
udara pembakaran untuk pembakaran sempurna. Sebelum menghitung kebutuhan
udara pembakaran, terlebih dahulu menghitung oksigen yang diperlukan untuk setiap
kandungan C, O dan H yang mengikat oksigen dalam pembakaran. Berikut
persamaan-persamaannya.
Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2 menurut persamaan :
C + O2 = CO2
12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2
1 kg C +
32
44
kg O2 =
kg CO2……………………………..……(2.17)
12
12
Hidrogen (H) terbakar menjadi H2O menurut persamaan :
4 H + O2 = 2H2O
4 kg H + 32 kg O2 = 36 kg H2O
1 kg H + 8 kg O2 = 9 kg H2O………………………………………(2.18)
Belerang (S) terbakar menjadi SO2 menurut persamaan :
S + O2 = SO2
32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2
1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2………………………………………..(2.19)
Dari perhitungan di atas kemudian dijumlahkan kebutuhan dengan persamaan :
Kebutuhan oksigen = kebutuhan oksigen H + kebutuhan oksigen C +
kebutuhan oksigen S – kebutuhan oksigen O…………..……………(2.20)
Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, kebutuhan oksigen
pembakaran ditambah 30% dari kebutuhan oksigen teorotis (excess air). Excess air
antara 20-30%, maka kebutuhan oksigen untuk pembakaran sempurna dapat dihitung
dengan :
Kebutuhan oksigen total = kebutuhan oksigen + (excess air x kebutuhan
oksigen)……………………………………………………....………(2.21)
Kemudian kebutuhan udara pembakaran dapat dihitung. Dalam udara,
umumnya kadar oksigen yang terkandung antara 21-23% maka dari itu,
perbandingan udara dan bahan bakar didapat kebutuhan udara sebesar :
Kebutuhan udara pembakaran =
% udara
2
% O di udara
x kebutuhan oksigen
total…………………………………………………………………(2.22)
2.5 Massa Jenis Biomassa
Massa jenis biomassa adalah spesifik massa suatu biomassa per volumenya.
Massa jenis dapat dihitung dengan persamaan :
m
v
(kg/m3)……………………………………………………………………(2.23)

Dimana :

= massa jenis (kg/m3)
m
= massa bahan (kg)
v
= volume bahan (m3)
2.6 Cyclone Separator
Cyclone separator adalah alat yang menggunakan prinsip gaya sentrifugal dan
tekanan rendah karena adanya perputaran untuk memisahkan materi berdasarkan
perbedaan massa jenis dan ukuran. Cyclone merupakan mekanis yang sederhana
mempunyai bentuk yang khas, mudah dikenal, dan dapat ditemukan di beberapa
industri. Cara kerjanya seperti terlihat pada gambar di bawah, gerakan pusaran
(cyclonic) dari aliran udara akan menyebabkan terjadinya gaya sentrifugal pada
partikel debu, akibat partikel debu akan terkumpul pada dinding cyclone dan
selanjutnya jatuh melalui lubang bawah, sedangkan udara bersih akan keluar melalui
cerobong.
Gambar 2.7 Skema aliran cyclone
2.6.1 Prinsip Kerja Cyclone
Adapun prinsip kerja dari cyclone sebagai berikut :
-
Gas atau aliran fluida diinjeksikan melalui pipa input
Bentuk kerucut cyclone menginduksikan aliran gas atau fluida untuk
berputar menciptakan vortex.
-
Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih besar didorong ke
arah luar vortex
-
Gaya gravitasi menyebabkan partikel-partikel tersebut jatuh ke sisi
kerucut menuju tempat pengeluaran.
-
Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih kecil, keluar melalui
bagian atas dari cyclone melalui pusat yang bertekanan rendah.
-
Cyclone membuat suatu gaya sentrifugal yang berfungsi untuk
memisahkan partikular dari udara kotor.
-
Gaya sentrifugal timbul saat partikular di dalam udara masuk ke
puncak kolektor silindris pada suatu sudut dan berputar dengan cepat
mengarah ke bawah seperti pusaran air. Aliran udara mengalir secara
melingkar dan partikular yang lebih berat mengarah ke bawah setelah
menabrak kea rah dinding cyclone dan meluncur ke bawah.
2.7
Saringan (Filter)
2.7.1 Saringan Udara
Fungsi utama dari saringan udara adalah mencegah udara kotor atau menyaring
udara yang akan masuk ke dalam ruang bakar (mesin). Bahan utama dari saringan
udara ada bermacam macam yaitu serat kertas, busa atau kapas sangat umum
digunakan sebagai lapisan penyaring udara kotor (Alamsyah, 2011).
2.7.2 Saringan Basah
Nama lain dari saringan basah adalah scrubbers atau wet collectors. Prinsip
kerja saringan basah adalah membersihkan udara yang kotor dengan cara
menyemprotkan air dari bagian atas alat. Pada saat udara yang berdebu kontak
dengan air, maka debu akan ikut dengan arah aliran semprotan air. Pengendap
saringan basah dapat digambarkan seperti gambar dibawah.
Gambar 2.8 Saringan Basah
2.7.3 Saringan Sistem Gravitasi
Alat ini digunakan untuk membersihkan udara kotor yang ukuran partikelnya
relatif cukup besar, sekitar 50  atau lebih. Cara kerja alat ini yaitu dengan
mengalirkan udara yang kotor ke dalam alat yang dibuat sedemikian rupa sehingga
pada waktu terjadi perubahan kecepatan secara tiba-tiba (speed drop), maka partikel
padat akan jatuh dan terkumpul di bawah akibat gaya gravitasi.
Gambar 2.9 Saringan Sistem Gravitasi
2.8
Aliran Udara
Gambar 2.10 Pengukuran Kecepatan Aliran Udara Dengan Pitot Tube
Kecepatan aliran udara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Bernoulli (Pitot Tube), berdasarkan perbedaan antara tekanan stagnasi P0 dan tekanan
statik P, sebagai berikut :
2
V0
P
P V2

Z  0 
Z 0 …………………………………………….(2.24)
 .g 2.g
 .g 2.g
Pada kondisi pengukuran tekanan diatas dimana titik  berimpitan dengan titik
A, dimana titik  adalah titik stagnasi Z – Z0 = 0, sehingga persamaan di atas
menjadi :
2
V0
P
P
V2

 0 
……………………………………………...............(2.25)
 .g 2.g  .g 2.g
Dalam keadaan stagnasi V0 = 0, maka persamaan 2.20 menjadi :
P
P
V2

 0 …………………………………………………..................(2.26)
 . g 2. g  . g
V=
 P0  P 
P P
 dimana h   0
 …………………………………….(2.27)
2.g 

.
g

.
g




Sehingga
V=
2.g.h …………………………………………………………..…….(2.28)
2.8.1 Kecepatan Udara
Untuk menghitung kecepatan udara, maka digunakan persamaan sebagai
berikut :
.
m   . A.v ……………………………………………………..……………...(2.29)
.
vudara
m udara gas
……………………………………………………...……(2.30)

.A
Dimana :
Vudara
= kecepatan udara (m/s)
mudara-gas
= laju aliran massa gasifikasi (kg/s)

= massa jenis (kg/m2)
A
= luas penampang (m)
2.8.2 Manometer
Untuk pengukuran kecepatan aliran udara dengan menggunakan manometer,
parameter yang dibutuhkan adalah pertambahan panjang fluida ukur (air) yang dapat
diamati dengan mistar.  h dapat ditentukan dengan melihat gambar di bawah ini
Gambar 2.11 Manometer untuk pengukuran kecepatan aliran udara
Hubungan tekanan antara air dengan udara adalah tampak sebagaimana
persamaan berikut ini :
 air . g .hair   ud . g .hud ……………………………………..………….……(2.31)
Dari persamaan 2.26 di atas maka diperoleh :
hair 
 ud . hud
…………………………………………………..…………(2.32)
 air
Dimana :
Pud
 N 
= Tekanan udara di dalam manometer  2 
m 
=  .g .h
ρ
 1000kg 
= massa jenis air 

3
 m

g
= gravitasi (9.8
hair
= ketinggian air di manometer (m)
m
)
s2
2.9 Efisiensi Proses
Parameter-parameter yang mempengaruhi efisiensi gasifier antara lain,
kandungan moisture, temperatur udara masuk, dan heat loss. Dapat disimpulkan
bahwa kandungan moisture bahan bakar semakin tinggi, nilai kalor syngas semakin
rendah, dengan kata lain efisiensi gasifikasi semakin kecil dengan tingginya
kandungan moisture bahan bakar. Nilai tertinggi dari kandungan moisture dari bahan
bakar tidak boleh lebih dari 33%. Untuk pengaruh temperatur udara masuk, semakin
tinggi temperatur udara masuk gasifier akan menaikkan efisiensi gasifikasi.
Disamping itu, pemanasan udara masuk bias menurunkan air fuel ratio. Sedangkan
pengaruh besarnya heat loss, semakin kecil heat loss semakin besar pengaruhnya
terhadap efisiensi gasifikasi.
Efisiensi gasifikasi dapat dihitung dengan persamaan:
ƞ=
,
Dimana:
,
ƞ=
(
ℎ
)
.........................................................................................(2.34)
energi yang dihasilkan = energi infut – energi autput.
LHV = HHV – 3240 (kJ/kg)
HHV = (T2 – T1 – Tkp) x Cv (kJ/kg)
Jika yang akan dihitung adalah efisiensi bahan bakar yang ahbis tergasifikasi,
maka yang jadi dasar perhitungan adalah massa bahan bakar gasifikasi. Sehingga
persamaan yang digunakan adalah:
ƞ=
ƞ=
ℎ
ℎ
100%
100%.............................(2.35)
2.10 Genset
2.10.1 Pengertian Genset
Genset atau kepanjangan dari generator set adalah sebuah perangkat yg
berfungsi menghasilkan daya listrik. Disebut sebagai generator set dengan pengertian
adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu engine dan
generator atau alternator. Engine sebagai perangkat pemutar sedangkan generator
atau alternator sebagai perangkat pembangkit listrik. Engine bisa berupa perangkat
mesin diesel berbahan bakar solar atau mesin berbahan bakar bensin, sedangkan
generator atau alternator merupakan kumparan atau gulungan tembaga yang terdiri
dari stator (kumparan statis) dan motor (kumparan berputar).
2.10.2 Prinsip Kerja Genset
Prinsif kerja generatorsangatlah sederhana yaitu kumparan jangkar yg
mememotong medan pada magnet yang dihasilkan kumparan medan akan
menimbulkan gerak gaya listrik terhadap kumparan jangkar. Cara kerja generator
yang utama adalah adanya medan magnet dan memotong medan magnet.
Prinsif kerja generator akan lebih mudah dimengerti apabila kita mengetahui
terlebih dahulu apa itu generator. Generator merupakan alat yang mampu
menghasilkan energi listrik yang bersumber kepada energi mekanik dan umumnya
menggunakan induksi elektomagnetik. Sumber energi mekanik sendiri bisa berasal
dari turbin.
Generator listrik pertama kali ditemukan pada tahun 1931 oleh seorang yang
bernama Faraday. Saat itu generator listrik mempunyai bentuk gulungan kawat yang
dililitkan pada besi yang berbentuk U. Generator tersebut dikenal dengan nama
Generator Cakram Faraday.
2.10.3 Fungsi Genset
Manfaat dari genset itu sendiri adalah sebagai power suplay arus listrik jika
terjadi pemadaman listrik PLN dan bisa juga dimanfaatkan untuk penduduk yang
belum mendapatkan akses listrik PLN.
Untuk genset yang kami gunakan dalam penelitian ini berkapasitas 900 watt
berbahan bakar bensin yang kami modifikasi sendiri pada karburatornya hingga
mampu memakai bahan bakar gas.