ENERGI FOSIL LAPORAN PRAKTIKUM ENERGI, OTOMASI DAN ELEKTRIFIKASI PERTANIAN Oleh Ayu Aulia Aftukha 171710201010 TEP-A JURUSAN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS JEMBER 2019 BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sumber energy dari alam dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis yaitu energy fosil, fisil, dan energy terbarukan. Energy fosil adalah energy yang terbentuk dari sisa-sisa organic tanaman dan hewan yang telah tertimbun tanah selama kurun waktu yang lama yang tersedia dalam jumlah terbatas dan tidak dapat diperbaharui. Energy fosil sendiri juga dibedakan menjadi tiga jenis yaitu batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Energy fosil khususnya minyak bumi, merupakan sumber energy utama dan telah menjadi sumber devisa negara. Penggunaan energy fosil akhir-akhir ini khususnya d Negara berkembang mengalami kenaikan yang sangat signifikan seiring bertambahnya jumlah penduduk dunia dan meningkatnya pula aktivitas manusia yang bergantung terhadap energy fosil. Bahan bakar minyak merupakan rantai senyawa karbon yang terdiri dari sebagian besar hydrogen (H), karbon (C), oksigen (O) yang secara umum dituliskan dalam rumus kimia CxHyOz yag bila bereaksi dengan oksigen akan mengalami keadaan terbakar sempurna atau tidak terbakar sempurna. Dalam kehidupan sehari-hari bahan bakar minyak ini selain dibutuhkan untuk keperluan industry, juga tidak lepas dari kebutuhan rumah tangga. Misalnya saja untuk kebutuhan bahan bakar dari kompor untuk memasak baik di rumah tangga maupun kegiatan home industry. Praktikum energy fosil (minyak) dilakukan untuk mengetahui adanya konversi energy minyak menjadi energy panas dan jumlah kebutuhan bahan bakar tersebut dalam setiap kali aktivitas manusia serta mengetahui panas thermal yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar minyak. Dengan adanya analisa mengenai kebutuhan bahan bakar minyak ini diharapkan setiap kegiatan yang menggunakan bahan bakar minyak dilakukan seefisien mungkin guna menghemat energy fosil mengingat bahan bakar minyak tersebut merupakan bahan bakar yang tak terbarukan. 3 1.1 Tujuan Tujuan dilaksanakannya praktikum energi fosil (minyak) ini adalah sebagai berikut. 1. Mahasiswa memahami adanya konversi energy minyak menjadi energy panas. 2. Mahasiswa mengetahui jumlah kebutuhan bahan bakar dalam suatu proses pembakaran. 3. Mahasiswa mengetahui tingkat efisiensi thermal dari suatu tungku. 1.2 Manfaat Dari dilaksanakannya praktikum ini, adapun beberapa manfaat yang dapat diperoleh adalah sebagai berikut. 1. Sebagai informasi mengenai adanya konversi energy minyak menjadi energy panas. 2. Memberikan pengetahuan mengenai kebutuhan/konsumsi bahan bakar pada suatu proses pembakaran. 3. Memberikan pengetahuan mengenai cara mencari nilai efisiensi tungku. BAB 3. METODOLOGI 3.1 Waktu dan Tempat Kegiatan praktikum dilaksanakan pada hari Selasa, 9 April 2019 pada pukul 09:40-12:20 WIB. Praktikum dilakukan di Laboratorium Energi Otomasi Instrumentasi Fakultas Teknologi Pertanian. 3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada pratikum ini adalah: a. Satu buah kompor masak b. Tangki bahan bakar c. Meteran d. Thermometer e. Stopwatch f. Panci g. Korek gas Bahan yang digunakan pada praktikum adalah: a. Bahan bakar (Minyak tanah) b. Air 3.3 Gambar Diagram Alir Praktikum Energi Fosil Mulai Alat dan bahan Letakan tangki bahan bakar pada ketinggian tertentu kemudian hidupkan kompor minyak tanah A 5 A Mengukur jumlah minyak bahan bakar dalam tangkai dan menetapkan besarnya lubang nosel dan mengkur volume air serta temperatur air Mengukur jumlah minyak bahan bakar dalam tangkai dan menetapkan besarnya lubang nosel dan mengkur volume air serta temperatur air Meletakan panci berisi air diatas kompor lakukan pengamatan sebanyak enam kali dengan interval waktu yang ditentukan serta mrngukur temperature air dan volume minyak dalam tangki Mendidihkan air dalan panci dan membiarkan air mendidih selama 10 menit serta tetap mengukur temperatur dan banyaknya bahan bakar yang digunakan Mengulangi langkah diatas untuk ketinggian yang berbeda Volume minyak yang terbakar Selesai Gambar 3.1 Prosedur kerja praktikum energi fosil BAB 4. PEMBAHASAN 4.1 Tabel Hasil Pengamatan Dari praktikum energy minyak yang telah dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut. a. Percobaan 1 Ketinggian permukaan minyak dari kompor = 100 cm Volume air = 1 L Sisa air setelah proses = 925 ml 4.1.1 Tabel hasil pengamatan ketinggian permukaan minyak dari kompor 100 cm Pengamatan Waktu (menit) Temperatur Air (°C) Volume minyak dalam tangki (cm²) Volume minyak yang terbakar (cm³) 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 28 46 64 79 91 98 713,408 678,24 673,216 668,192 663,168 659,701 0 35,168 5,024 5,024 5,024 5,024 Pada pengamatan ketinggian permukaan minyak dari kompor 100 cm nilai volume air awal adalah sebesar 1 liter. Pada proses pemanasan air nilai volume air menjadi 925 liter. b. Percobaan 2 Ketinggian permukaan minyak dari kompor = 50 cm Volume air = 1 ml Sisa air setelah proses = 822.5 ml 7 4.1.2 Tabel hasil pengamatan ketinggian permukaan minyak dari kompor 50 cm Pengamatan Waktu (menit) Temperatur Air (°C) Volume minyak dalam tangki (cm²) Volume minyak yang terbakar (cm³) 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 28 50 73 92 100 100 577,76 572,736 562,688 552,64 542,592 532,544 0 5,024 10,048 10,048 10,048 10,048 Pada pengamatan ketinggian permukaan minyak dari kompor 50 cm nilai volume air awal adalah sebesar 1 liter. Pada proses pemanasan air nilai volume air menjadi 822.5 ml. Grafik Hubungan Suhu Terhadap Waktu 120 100 Suhu (˚C) 80 Ketinggian 50cm 60 Ketinggian 100cm 40 20 0 0 2 4 6 Waktu (menit) 8 10 4.1.3 Gambar grafik hubungan antara waktu dan suhu pada ketinggian permukaan minyak dari kompor 100 cm dan 50 cm Berdasarkan Gambar 4.3.1 diperoleh data suhu air dalam panci mengalami kenaikan. Kenaikan suhu air terjadi karena air menerima kalor dari api 8 kompor melalu panci. Panci terbuat dari alumunium, seperti yang kita tahu alumunium adalah jenis konduktor panas yang baik. Lamanya waktu saat pemanasan air mengakibatkan besarnya energi panas yang diterima air semakin meningkat. Penyalaan kompor menggunakan prinsip kerja kapileritas air, namun pada saat praktikum bahan bakar dialirkan dari ketinggian yang berbeda yaitu Pada ketinggian permukaan minyak dari kompor 50 cm dan 100 cm. Pada ketinggian 50 cm suhu air sudah mencapai titik didihnya sedangkan pada ketinggian permukaan minyak dari kompor 100 cm suhu air belum mencapi titik didihnya. Saat suhu air sudah mencapai 1000C maka suhu air akan konstan seperti ditunjukan pada gambar Grafik 4.1.3 pada ketinggian permukaan minyak dari kompor 50 cm. 4.2 Panas yang dihasilkan oleh pembakaran minyak pada pengamatan kedua dan ketiga Untuk mengetahui besarnya panas/kalor yang dihasilkan dari pembakaran minyak pada saat pengamatan kedua dan ketiga pada kondisi letak tangki minyak berada 100 cm di atas kompor adalah sebagai berikut. Massa minyak pengamatan 2 dan 3 = ρ x Vminyak terbakar ( pengamatan 2 dan 3) = 0,8 g/cm3 x (35,168+5,024) cm3 = 0,8 g/cm3 x 40,192cm3 = 32,1523 gram Q minyak pengamatan 2 dan 3 = m. c. ΔT = 0,0321 kg . 220 J/kg°C . (64-46)°C = 0,0321 kg . 220 J/kg°C . 18°C = 127,116 Joule Jadi besarnya panas yang dihasilkan oleh pembakaran minyak pada pengamatan kedua dan ketiga pada percobaan 1 adalah sebesar 127,116 Joule. Sedangkan untuk percobaan yang kedua letak tangki minyak diletakkan lebih rendah dengan jarak 50 cm di atas kompor, maka untuk mengetahui panas yang dihasilkan adalah sebagai berikut. 9 Massa minyak pengamatan 2 dan 3 = ρ x Vminyak terbakar ( pengamatan 2 dan 3) = 0,8 g/cm3 x (5,024+10,048) cm3 = 0,8 g/cm3 x 15,072cm3 = 12,0576 gram Q minyak pengamatan 2 dan 3 = m. c. ΔT = 0,0120 kg . 220 J/kg°C . (73-50)°C = 0,04823 kg . 220 J/kg°C . 23°C = 244,043 Joule Jadi besarnya panas yang dihasilkan pada pengamatan kedua dan ketiga pada percobaan 2 ini adalah 244,043 4.3 Panas yang Diserap Air pada Pengamatan Kedua sampai Pengamatan Ketiga pada Ketinggian Tangki 100 cm dan 50 cm Besarnya panas yang diserap air pada saat percobaan pertama dengan ketinggian minyak 100 cm dari kompor untuk pengamatan kedua sampai ketiga adalah sebagai berikut: Massa air =ρxV = 1 g/cm3 x 1000 cm3 = 1000 gram = 1 kg Q serap air = m. c. ΔT = 1 kg . 4200 J/kg°C . (64-46)°C = 75.600 Joule Berdasarkan perhitungan diatas besarnya panas yang diserap oleh air pada percobaan pertama pengamatan pertama dan kedua adalah 75.600 Joule sedangkan untuk mengetahui besarnya panas yang diserap air pada percobaan kedua dengan ketinggian permukaan minyak 50 cm dari kompor adalah sebagai berikut: 10 Massa air =ρxV = 1 g/cm3 x 1000 cm3 = 1000 gram = 1 kg Qserap air = m. c. ΔT = 1 kg . 4200 J/kg°C . (73-50)°C = 96.600 Joule Jadi, besarnya panas yang diserap oleh air pada percobaan kedua pengamatan pertama dan kedua adalah 96.600 Joule. Pada ketinggian permukaan minyak dari kompor 50 cm memiliki nilai kalor yang lebih besar. Hal ini menunjukkan tinggi rendahnya tangki bahan bakar berpengaruh pada konsumsi bahan bakar tersebut. Semakin tinggi letak tangkinya, maka semakin banyak pula konsumsi bahan bakarnya karena adanya pengaruhi gaya gravitasi serta adanya tekanan yang lebih besar sesuai hukum fluida statis yang berlaku semakin luas permukaan maka semakin besar energi yang dikeluarkan. sifat zat cair yang mengalir dari tempat tinggi menuju ke tempat yang lebih rendah sehingga panas yang diserap oleh air lebih banyak. 4.4 Efisiensi Termal Tungku pada Ketinggian Permukaan Minyak dari Kompor 100 cm Perhitungan efisiensi termal tungku pada saat tangki minyak setinggi 100 cm di atas kompor. Pada awal pembakaran suhu airnya 28°C dan diakhir pengamatan suhunya menjadi 98°C sehingga diketahui perubahan suhunya sebesar 70°C. Vtotal minyak terbakar = (35,168+5,024+5,024+5,024+5,024) cm3 = 55,264 cm3 Massa minyak total = ρ x Vtotal = 0,8 g/cm3 x 55,264 cm3 = 44,2112 gram =0,0442 kg Qminyak total = m. c. ΔT 11 = 0,0442 kg . 220 J/kg°C .70°C = 680.68 Joule Air pada saat awal pembakaran volumenya 1 liter dan pada akhir pembakaran tersisa 925 ml. Selisih air yaitu 75 ml sehingga dapat dihitung untuk kalor total yang diserap air berdasarkan jumlah air yang teruapkan adalah sebagai berikut. Massa air teruapkan =ρxV = 1 g/cm3 x 750 cm3 = 750 gram = 0,75 kg Qtotal air = m. c. ΔT = 0,75 kg . 4200 J/kg°C 72°C = 226,800 Joule Efisiensi termal tungku = Qtotal air / Qtotal minyak = 226,800 Joule / 680.68 Joule = 333.196 % Berdasarkan perhitungan diatas, didapatkan bahwa efisiensi termal pada tungku pada percobaan 1 yaitu sebesar 333.196 %. 4.5 Efisiensi Termal Kompor atau Tungku pada Ketinggian Permukaan Minyak dari Kompor 50 cm Pada percobaan kedua yaitu dengan ketinggian tangki minyak 50 cm di atas kompor. Pada awal pembakaran suhu airnya 28°C dan diakhir pengamatan suhunya 100°C sehingga diketahui perubahan suhunya sebesar 72°C. Vtotal minyak terbakar = (5,024+10,048+10,048+10,048+10,048) cm3 = 45,216 cm3 Massa minyak total = ρ x Vtotal = 0,8 g/cm3 x 45,216 cm3 = 36,1728 gram = 0,03617 kg 12 = m. c. ΔT Qminyak total = 0,03617 kg . 220 J/kg°C . 72°C = 584,436 Joule Air pada saat awal pembakaran volumenya 1 liter dan pada akhir pembakaran tersisa 822.5 ml, selisih air pada wadah yaitu 177.5 ml. sehingga dapat dihitung untuk kalor total yang diserap air berdasarkan jumlah air yang teruapkan adalah sebagai berikut. Massa air teruapkan =ρxV = 1 g/cm3 x 140 cm3 = 140 gram = 0,14 kg Qtotal air = m. c. ΔT = 0,14 kg . 4200 J/kg°C . 73°C = 42.924 Joule Efisiensi termal tungku = Qtotal air / Qtotal minyak = 42.924 Joule / 584,436 Joule = 73 % Dari perhitungan diatas, diketahui bahwa efisiensi termal tungku pada percobaan 2 sebesar 73 %. 4.6 Cara menaikkan efisiensi kompor Untuk menaikkan efisiensi dari sebuah tungku yaitu dapat dilakukan dengan menggunakan bahan konstruksi tungku yang terbuat bahan-bahan konduktor yang mampu menghantarkan panas dengan baik dan dapat menghasilkan rendemen panas yang tinggi seperti contohnya alumunium, besi, dan logam lainnya. Selain itu, dapat juga dilakukan dengan membuat luas permukaan yang lebih besar karena semakin besar luas permukaan maka perambatan panas menjadi lebih besar pula. Jika dilihat dari bahan biomassa sebaiknya menggunakan bahan-bahan yang mampu menghasilkan suhu yang efisien dengan perambatan yang menyeluruh dan mudah dicapai serta diusahakan 13 tungku yang efisien yaitu tungku yang memiliki umur ekonomis yang relative lama dan dari segi pemeliharaannya mudah dan murah. 4.7 Pemanasan Kompor saat awal penggunaan Pada saat awal akan dilakukan pemanasan air dan kegiatan memasak lainnya pasti kompor yang akan digunakan tersebut dipanaskan terlebih dahulu. Tujuan dari perlakuan memanaskan kompor ini yaitu agar panas hasil dari pembakaran bahan bakar minyak tersebut dapat menyebar secara merata dahulu dan telah dicapai panas yang cukup. Sehinga dengan hal seperti itu, pada saat ada wadah bahan yang digunakan seperti panci dapat dengan cepat merambat ke seluruh bagian panci termasuk pada bahan yang akan dipanaskan. 4.8 Perubahan Energi Fosil menjadi Energi Cahaya pada Lampu Petromaks Lampu petromaks merupakan lampu berbahan bakar minyak tanah (paraffin/kerosin) yang ditekan ke atas, diubah menjadi uap untuk memanaskan kaus lampu hingga berpijar. Prinsip kerja dari lampu petromaks ini yaitu tangki bahan bakar bertekanan untuk sekitar 2 atmosfer (2 bar, atau 30 psi) dengan udara yang dibuat dengan pompa tangan. Tekanan ini digunakan untuk memaksa cairan minyak tanah menjadi uap. Awalnya, alat penguap harus dipanaskan terlebih dahulu sehingga merubah minyak tanah menjadi gas sebelum menyalakan bahan/kaos petromak. Preheating ini dapat dicapai dengan membakar alkohol dituangkan dalam suatu cangkir preheating yang terletak di dasar alat penguap atau dibawah kaus. Setekah beroperasi, panas dari pijaran api biru (terbungkus dalam kaus) digunakan untuk mengubah minyak tanah cair menjadi gas/uap yang naik melalui alat penguap. Minyak tanah cair menjadi uap pada suhu sekitar 250°C, sekitar setengah jalan ke puncak alat penguap. Uap Minyak tanah melanjutkan perjalanan melalui alat penguap yang melingkar, dan mengalami peningkatan suhu, sampai keluar dari lubang kecil di ujung alat penguap mendekati kecepatan suara (1000 ft/sec). 14 Setelah keluar uap, minyak tanah mulai menyebar dan bercampur dengan udara di ruang persegi kecil di sisi lampu petromak. Bercampurnya uap minyak tanah dengan udara yang mengakibatkan bunyi mendesis lampu Petromaks pada saat digunakan. Uap minyak tanah dan udara bergerak ke dalam tabung di mana keduanya bercampur dalam satu aliran yang berputar (turbulen). Hal ini menjamin pembakaran yang sempurna dan keluar dari nosel keramik, menghasilkan panas dan nyala api warna biru yang bersih dan membakar kaos petromak Gambar 4.1 Kontruksi lampu petromax 4.9 Penyediaan energy di pedesaan dengan biogas Dalam mendukung salah satu energy alternative untuk mendukung kegiatan hemat penggunaan energy fosil, biogas termasuk salah satunya yang kini banyak diterapkan misalnya di pedesaan. Manfaat dari biogas ini antara lain untuk keperluan memasak, penerangan, pompa air, boiler, dan sebagainya karena biogas ini dapat menghasilkan gas metan yang mampu menggantikan penggunaan bahan bakar minyak. Biogas biasanya terbuat dari bahan baku kotoran ternak dan limbah pertanian. Pertama, pada bahan organic (limbah pertanian) dan kotoran ternak yang disediakan sebagai baku akan diuraikan substratnya oleh mikroorganisme penghasil enzim selulotik, lipolitik, dan proteolitik.enzim yang dihasilkan ini berfungsi mempercepat hidrolisa dari polimer menjadi monomer. Pada tahap ini 15 terdapat proses fermentasi sehingga akan terjadi juga penurunan pH, dan pada proses kesetimbangan pH akan stabil kembali yaitu sekitar 7. Kedua, senyawa monomer larut yang dihasilkan dari tahap pertama kemudian akan diproses menjadi asam-asam organik yang merupakan hasil akhir dari metabolisme bakteri. Asam yang dihasilkan adalah asam asetat, asam propionate, dan asam liktat. Namun bakteri metagonik hanya memanfaatkan asam asetat. Ketiga, asam asetan, methanol, koarbondioksida dan gas hydrogen yang dihasilkan dari tahap 2 oleh bakteri metagonik dijadikan substrat untuk diuraikan menjadi gas methan. Agar proses produksi gas methan tersebut dapat maksimal maka kondisi lingkungan harus dijaga karena bakteri metagonik ini senndiri sangat peka terhadap oksigen, senyawa yang memiliki tingat oksidasi tinggi dan perubahan pH. Hasil dari tahap inilah merupakan biogas yang dapat digunakan sebagai bahan bakar pengganti bahan bakar minyak. 4.10 Penyediaan Energi Biogas di Desa Biogas merupakan campuran gas metana (± 60%), karbon dioksida (±38%), dan lainnya N2, O2, H2 & H2S (±2%) sehingga dapat dibakar seperti layaknya gas elpiji sering dipakai untuk memasak dan penerangan. Bahan-bahan sumber biogas dapat berasal dari kotoran ternak, limbah pertanian, dan sampah limbah organik. Prinsip pembuatan biogas adalah adanya dekomposisi bahan organik secara anaerobik (tertutup dari udara bebas). Proses dekomposisi dibantu oleh sejumlah mikro organisme, terutama bakteri metan. Suhu yang baik untuk proses fermentasi adalah 30-55ºC, dimana pada suhu tersebut mikroorganisme mampu merombak bahan-bahan organik secara optimal. Bangunan utama dari instalasi biogas adalah digester yang berfungsi untuk menampung gas metan hasil perombakan bahan-bahan organik oleh bakteri. Contoh penyediaan biogas yang berada dipedesaan adalah Desa Poncosari, Kecamatan Srandakan, Kabupaten Bantul, pemanfaat biogas digunakan sebagai konsumsi para pedagang makanan. BAB 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil dan pembahasan di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut. 1. Bahan bakar adalah suatu substansi yang ketika dipanaskan akan mengalami reaksi kimia dengan pengoksidasi (oksigen) yang terkandung di dalam udara yang dapat melepaskan panas atau energi. 2. Proses pembakaran adalah reaksi kimia, yaitu reaksi oksidasi yang berlangsung sangat cepat disertai dengan pelepasan energy dalam jumlah tertentu dengan 3 syarat antara lain bahan bakar, udara sebagai oksidan, dan suhu yang tinggi (di atas titik nyala bahan bakar). 3. Pemanfaatan gas bio sebagai energy alternative merupakan salah satu bahan bakar yang mampu mneghasilkan gas methan dengan jumlah besar sebagai pengganti bahan bakar fosil untuk kegiatan memasak, penerangan, pompa dan sebagainya. 4. Efisiensi tungku dapat ditingkatkan dengan memperbaiki konstruksi bahan yaitu menggunakan bahan yang bersifat konduktor dan mampu menghasilkan rendemen panas yan tinggi serta menggunakan biomassa yang tepat dan hemat. 5.2 Saran Pada pelaksanaan praktikum ini perlu memperhatikan keselamtan kerja karena digunakan bahan-bahan yang mudah terbakar. Selain itu juga diperlukan ketelitian agar data hasil pengamatan tidak terjadi kesalahan. DAFTAR PUSTAKA Borman, G. L. dan Ragland, K.W., 1998. Combustion Engeneering. Terjemahan oleh Sutanto. Jakarta: CV Rajawali. Hasnanto. 2008. Pedoman Efisiensi Energi Untuk Industri Di Asia: Bahan Bakar dan Pembakaran. http://www.energyefficiencyasia.org/bahan-bakar-danpembakaran.pdf (Diakses tanggal 24 April 2014). Istanto T dan Juwana W. 2007. Bahan Perkuliahan Generator Uap edisi pertama. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. Muin, S. 1988. Pesawat-pesawat Konversi Energi I. Jakarta: CV Rajawali. LAMPIRAN
