bab ii dasar teori - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

Tugas Akhir
Teknik Mesin
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Bahan Bakar Biogas
2.1.1. Definisi Biogas
Biogas adalah suatu jenis gas yang bisa dibakar, yang diproduksi melalui
proses fermentasi anaerobik bahan-bahan organik seperti kotoran ternak, kotoran
manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya dan sebagian besar
sampah organik lainnya di dalam suatu ruangan digester (wahyuni, 2011). Biogas
dapat dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif karena kandungan metana
yang cukup tinggi.
Biogas bahan bakar yang tidak menghasilkan asap merupakan suatu
pengganti yang unggul untuk menggantikan bahan bakar fosil, gas ini dihasilkan
oleh suatu proses yang disebut pencernaan anaerobik, merupakan gas campuran
metan (CH4), karbon dioksida (CO2), dan sejumlah kecil nitrogen, amonia, sulfur
dioksida, hidrogen sulfida dan hidrogen. Secara alami, gas ini terbentuk pada
limbah pembuangan air, tumpukan sampah, dasar danau atau rawa. Mamalia
termasuk manusia menghasilkan biogas dalam sistem pencernaannya, bakteri
dalam sistem pencernaan menghasilkan biogas untuk proses mencerna selulosa.
Biogas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerob digunakan untuk mengolah
biodegradable (limbah yang dapat diuraikan secara sempurna dengan bantuan
mikroba) untuk mengurangi volume limbah buangan. Metana dalam biogas, bila
terbakar akan relatif lebih bersih daripada batubara dan menghasilkan energi yang
lebih besar dengan emisi karbondioksida yang lebih sedikit.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
5
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Pemanfaatan biogas memegang peranan penting dalam manajemen limbah
karena metana merupakan gas rumah kaca yang lebih berbahaya dalam
pemanasan global bila dibandingkan dengan karbondioksida. Karbon dalam
biogas merupakan karbon yang diambil dari atmosfer oleh fotosintesis tanaman,
sehingga bila dilepaskan lagi ke atmosfer tidak akan menambah jumlah karbon di
atmosfer bila dibandingkan dengan pembakaran bahan bakar fosil.
Biogas terdiri dari campuran metana (50 – 70%), CO2 (25 – 24%), dan
sejumlah kecil gas lainnya H2, N2, dan H2S (Hambali, dkk., 2007). Biogas
sebagian besar mengandung gas metana (
) dan karbondioksida (
) dan
beberapa kandungan yang jumlahnya kecil diantaranya hydrogen sulfida (
dan ammonia (
) serta hidrogen (
) nitrogen (
S)
) yang kandungannya sangat
kecil. Komposisi biogas dapat dilihat pada table 2.1.
Tabel 2.1. Komposisi Biogas
Jenis gas
Metana (
)
Karbondioksida (
)
Nitrogen (
)
Hidrogen (
)
Karbon Monoksida (CO)
Oksigen (
)
Hidrogen Sulfida (
S)
Kotoran sapi
65.7
Sampah
41.5
27-35
33.6
0.5-2.0
2.4
< 1.0
<0.05
0.1
<0.001
0.1
04.1
<1.0
Sedikit sekali
Sumber kotoran sapi : Pusat Informasi PTP-ITB
Sumber Sampah : Sudradjat, H.R
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
6
Tugas Akhir
Menurut
Teknik Mesin
(Setiawan, 1996), biogas adalah gas yang dihasilkan oleh
aktivitas Bakteri anaerobik atau fermentasi dari bahan – bahan organik termasuk
diantaranya kotoran manusia dan hewan, limbah domestik (rumah tangga). Biogas
dapat terjadi pada kondisi alami, namun untuk mempercepat dan menampung gas
metan diperlukan alat yang memenuhi syarat terjadinya gas tersebut.
Bila dibandingkan dengan sumber dengan sumber energi yang lain maka
1m³ biogas akan setara dengan 0,46 kg elpiji, 0,62 liter minyak tanah, 0,52 liter
minyak solar, 0,80 bensindan 3,50 kayu bakar.
Maka dapat disimpulkan bahwa biogas adalah campuran gas yang
dihasilkan dari proses fermentasi material – material yang dapat terurai secara
alami dengan bantuan Bakteri metanogenik sehingga terjadi proses metanisasi
pada kondisi anaerobic.
2.1.2. perkembangan Biogas
Sejarah penemuan proses anaerobik digestion untuk menghasilkan biogas
tersebar di benua eropa. Penemuan Alessandro volta terhadap gas yang
dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa decade kemudian
Avogadro mengidentifikasikan tentang gas metana, setelah tahun 1875 di pastikan
bahwa biogas merupakan produk dari proses anaerobik digester, tahun 1884
Pasteour melakukan penelitian tentang biogas menggunakan kotoran hewan. Era
penelitian Pasteour menjadi landasan untuk penelitian biogas saat ini. (Imam
Praja, 2009).
Indonesia mulai mengadopsi biogas pada awal 1970. Tujuannya untuk
memanfaatkan buangan atau sisa lembah yang kurang bermanfaat agar
mempunyai nilai guna lebih tinggi (Simamora, dkk, 2007).
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
Tugas Akhir
Teknik Mesin
2.1.3. Pembentukan Biogas
Pembentukan biogas terjadi melalui proses fermentasi, proses tersebut
pada umumnya merubah bahan organik dengan bantuk mikroorganisme anaerobik
menjadi komposisi senyawa
,
,
,
dan
S. proses fermentasi atau
proses pencernaan mengacu berbagai rekasi dan interaksi yang terjadi di antara
bakteri metanogen dan non-metanogen dan bahan yang diumpankan kedalam
pencerna sebagai input.
2.1.3.1 Bakteri Metanogenik
Bakteri metanogenik atau metanogen adalah bakteri yang terdapat pada
bahan-bahan organik dan menghasilkan metan serta gas-gas lainnya dengan
proses keseluruhan rantai hidupnya dalam keadaan anaerobik. Sebagai organismeorganisme hidup, ada kecenderungan untuk menyukai kondisi tertentu dan peka
pada iklim mikro dalam digester. Terdapat banyak spesies dari metanogen dan
varisai sifat-sifatnya.
Perbedaan bakteri-bakteri pembentuk metan memiliki sifat-sifat fisiologi
seperti bakteri pada umumnya. Namun, morfologi selnya heterogen. Beberapa
berbentuk batang atau bulat. Sedangkan lainnya termasuk kluster bulat yang
disebut sarcine. Famili metanogen (bakteri metana) digolongkan menjadi 4 genus
berdasarkan perbedaan-perbedaan sitologi. Bakteri berbentuk batang (a) tidak
berspora, metano bakterium (b) berspora, metano bacillus. Bakteri berbentuk
lonjong, yaitu (a) sarcine, metano bacillus. Bakteri berbentuk lonjong, yaitu (a)
sarcine, metano sarcina (b) tidak termasuk grup sarcinal, metanococcus.
Bakteri metanogenik berkembang lambat dan sensitif terhadap perubahan
mendadak pada kondisi-kondisi fisik dan kimiawi. Sebagai contoh, penurunan 2ºC
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
Tugas Akhir
Teknik Mesin
secara mendadak pada sludge mungkin secara signifikan berpengaruh pada
pertumbuhannya dan laju produksi gas.
2.1.3.2. Proses Fermentasi
Ini adalah phisio-kimia yang komplek dan proses biologis melibatkan
berbagai faktor dan tahapan bentuk. Penghancuran input yang merupakan bahan
organik dicapai dalam tiga tahapan, yaitu hidrolisa, acidification, dan
methanization.
Tahap hidrolisa merupakan penguraian bahan organik kompleks yang
mudah larut (karbohidrat, protein dan lemak) menjadi senyawa yang lebih
sederhana. Tahap pengasaman (acidification) adalah tahap dimana senyawa
sederhana diproses dari tahap hidrolisis menjadi senyawa asam, seperti asam
asetat, asam propionate, asam butirat, dan asam laktat dan produk sampingan
berupa
alkohol
,
Hydrogen
dan
ammonia.
Tahap
terakhir
adalah
metanogenesis (methanization) yang memproses hasil senyawa asam menjadi
metan, karbondioksida, dan air dengan bantuan bakteri metanogen. Komponen
hasil tahap metanogenesis merupakan penyusunan dari biogas (Wahyuni, 2011).
COOH
Asam asetat
2
Etanol
+
metana
karbondioksida
+
karbondioksida
+
Karbondioksida
+
metana
COOH
asam asetat
+
hidrogen
metana
O
air
2.1.3.3. Faktor Yang Berpengaruh
Secara jelas, banyak faktor yang memfasilitasi dan menghambat telah
memainkan peranan dalam proses. Agar proses dengan cara anaerobik
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
Tugas Akhir
berlangsung
Teknik Mesin
optimal
makadiperlukan
pengetahuan
tentang
faktor
yang
berpengaruh dalam prodktifitas serta kualitas biogas yang dihasilkan. Beberapa
faktor tersebut di jelaskan sebagai berikut.
a) Nilai Ph
produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran
input di dalam digester berada pada kisaran 6 dan 7. Derajat keasaman (pH) dalam
digester juga merupakan fungsi waktu di dalam digester tersebut. Pada tahap awal
proses fermentasi, asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri
pembentuk asam, pH dalam digester dapat mencapai 5. Kedaan ini cenderung
menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri
metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup di bawah pH 6.
Kemudian proses
pencernaan berlangsung,
konsentrasi
bertambah
pencernaan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH di atas 8. Ketika produksi
metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2-8,2.
Menurut Sudradjat, H.R. banyak kegagalan anaerobik komposting terjadi
karena proses hidrolisa dan acidogenesis yang menghasilkan asam-asam organik
yang cukup banyak, sedangkan kemampuan bakteri metanogenik dalam
mengkonversi asam organik tersebut sangat lambat sehingga pH menjadi rendah
(asam). Rendahnya pH ini menyebabkan bakteri metanogenik menjadi kurang
aktif, sedangkan organic acid terus menerus diproduksi dan akhirnya produksi
biogas atau anaerobik komposting berakhir sebelum waktunya.
b) Suhu
Bakteri metanogen dalam keadaan tidak aktif pada kondisi suhu ekstrim
tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 35ºC. ketika suhu udara turun sampai
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
Tugas Akhir
Teknik Mesin
10ºC produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat bagus yaitu pada kisaran
mesofilik, antara suhu 25ºC dan 30ºC. penggunaan isolasi yang memadai pada
digester membantu produksi gas khususnya di daerah dingin.
Sedangkan menurut Simamora, dkk (2006) Suhu yang baik untuk
fermentasi adalah 30 ºc -55ºc. Pada suhu tersebut mikroganisme dapat bekerja
secara optimal merombak bahan-bahan organik.
c) Laju pengumpanan
Laju pengumpanan adalah jumlah bahan yang dimasukkan ke dalam
digester per unit kapasitas per hari. Pada umumnya, 6 kg kotoran sapi per m³
volume digester adalah direkomendasikan pada suatu jaringan pengolah kotoran
sapi. Apabila terjadi akumulasi asam dan produksi metana akan terganggu.
Sebaliknya, bila pengumpanan kurang dari kapasitas digester, produksi gas juga
menjadi rendah.
d) Waktu tinggal dalam digester
Waktu tinggal dalam digester adalah rata-rata periode waktu saat input
masih berada dalam digester dan proses fermentasi oleh bakteri metanogen.
Dalam jaringan dari digester dengan kotoran sapi atau sampah, waktu tinggal
dihitung dengan pembagian volume total dari digester oleh volume input yang
ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu. Di atas suhu 35ºC
atau suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat.
e) Toxicity
Beberapa material racun yang mempengaruhi pertumbuhan normal bakteri
patogen. Tingkatan racun dapat dilihat pada table 2.2.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Zat Penghambat
Sulfat (
Konsentrasi
5.000 ppm
)
Sodium klorida atau garam (NaCl)
40.000 ppm
Nitrat (dihitung sebagai N)
0,05 mg/l
Tembaga (
100 mg/l
)
Khrom (
200 mg/l
)
Nikel (
200 - 500 mg/l
)
Sodium (
)
3.500 – 5.500 mg/l
Potasium (
)
2.500 – 4.500 mg/l
Kalcium (
2.500 – 4500 mg/l
)
Magnesium(
Mangan (
1.000 – 1.500 mg/l
)
>1.500 mg/l
)
Tabel 2.2. Tingkatan racun dari beberapa zat penghambat
Sumber : Chengdu Biogas Research Institute, Chengdu, China (1989)
Di dalam digester. Ion mineral dalam jumlah kecil (sodium, potasium, kalsium,
amonium dan belerang) juga merangsang pertumbuhan bakteri. Namun, bila ionion ini dalam konsentrasi yang tinggi akan berakibat meracuni. Sebagai contoh,
pada konsentrasi 50 hingga 200 mg/l, dapat merangsang pertumbuhan
mikroba. Namun, bila konsentrasinya diatas 1.500 mg/l, akan mengakibatkan
keracunan.
f) sludge
Sludge adalah limbah keluaran berupa lumpur dari lubang pengeluaran
digester setelah mengalami proses fermentasi oleh bakteri metana dalam kondisi
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
Tugas Akhir
Teknik Mesin
anaerobik. Setelah ekstraksi biogas (energi), sludge dari digester sebagai produk
samping dari sistem pencernaan secara anaerobik. Kondisi ini, dapat dikatakan
manur dalam keadaan stabil dan bebas patogen serta dapat dipergunakan untuk
memperbaiki kesuburan tanah dan meningkatkan produksi tanaman.
2.1.3.4. Jenis Proses
Menurut Sudradjat, H.R (2006) ada 3 jenis proses yang dikenal pada
proses anaerobik komposting, yaitu proses konvensional (conventional digestion),
proses 2 tahap (two-phase digestion), dan proses kering (dry digestion).
a) proses konvensional
proses konvensional pernah dibuat sekitar era 80-an di Indonesia, tetapi
tidak berkembang. Proses ini sangat sederhana yaitu suatu reaktor (digester)
tertutup, diisi dengan kotoran sapi yang masih baru ke lubang inlet (pemasukan)
yang dicampur dengan air dengan perbandingan 2 : 1 (1 kotoran : 2 air). Pengisian
awal dilakukan sampai batas optimal lubang pengeluaran atau kotoran diisi 60%
dari kapasitas volume digester biogas. suhu reaktor biasanya adalah mesofilik
(35ºC). Larutan tersebut dibiarkan selama 12-20 hari. Tujuannya agar terjadi
fermentasi bahan organik oleh mikroorganisme dalam kondisi anaerob. Hasil dari
fermentasi akan terlihat pada hari ke-14 dan biasanya biogas sudah terkumpul
pada bagian atas digester. Gas pertama yang terbentuk jangan di bakar karena
masih banyak campuran gas dan udara, sebaiknya gas tersebut dikeluarkan dengan
cara membuka kran yang sebelumnya sudah terpasang pada bagian atas digester.
Agar biogas dalam digester tersedia setiap saat maka setiap hari sebelum
digunakan sebaiknya memasukkan kotoran sapi yang dicampur air ke dalam
digester biogas. Namun, hal ini tergantung dari pemeliharaan dan cuaca. Dan
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Untuk mendeteksi adanya biogas, dapat dilihat dari alat kontrol gas yang
terpasang. Untuk memudahkan dalam distribusi, biogas dapat di masukkan ke
dalam kantong penampung (Biogas storage) Gas akan diproduksi terus menerus.
Setiap pengisian bahan organik yang baru akan selalu diikuti pengeluaran bahan
sisa (sludge). Skema digester dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 skema digester untuk biogas dari kotoran sapi
Sumber : PT. SWEN IT
Produksi biogas terbesar yang pernah dicapai di luar negeri adalah 0,430,53 m³/kg VS atau 1,3-1,6m³
/m³r.d. Kelemahan dari cara ini adalah produksi
biogas yang rendah dan sering terjadi scum atau lapisan padat di permukaan
larutan yang menghambat pengeluaran gas. Namun demikian, proses ini masih
dipakai di beberapa negara eropa untuk mengelola sampah kota dan limbah cair
industri dan proses ini juga yang digunakan untuk menghasilkan biogas dari
kotoran sapi.
b) proses 2 tahap
proses 2 tahap membagi proses anaerobik menjadi 2 tahapan kegiatan
yang dilakukan pada reaktor terpisah. Tahap pertama adalah pelarutan
(liquefaction) atau gabungan dari proses hidrolisis, asidogenesis, dan asetogenesi.
Tahap kedua adalah gasifikasi (gasification) atau proses metanogenesis. Tahap ini
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
Tugas Akhir
Teknik Mesin
mempertimbangkan sering terjadinya kegagalan proses anaerobik karena kondisi
yang diperlukan untuk proses hidrolisis, asidogenesis, dan asetogenesis sangat
berbeda dengan proses metanogenesis. Dengan cara ini HRT (hidrolic retention
time) pada reaktor 1 hanya memerlukan 3 hari dan reaktor 2 hanya 5 hari atau
waktunya berkurang 50-100% dari cara konvensional.
Tahap awal dari proses ini adalah memberikan perlakuan pendahuluan
pada substrat (15% TS), yaitu pemanasan sampai suhu 60ºC selama 3 jam dengan
kondisi PH 9,8, kemudian didiamkan selama 1 hari. Proses tahap pertama, proses
pelarutan dilakukan pada reaktor 1 (asidifikasi) dengan kondisi suhu 60ºC dan PH
6,0 selama 2 hari. Selanjutnya, larutan dimasukkan pada reaktor 2 (gasifikasi) 1,5
m³ dengan kandungan VS 8-16%, loading raet 9,4 kg VS/m³r.d menghasilkan 3,2
m³
/m³ r.d atau 2 kali lipat dari cara konvensional. Sebelum jadi kompos,
bahan padat yang tersisa dari proses ini harus dipres terlebih dahulu, kemudian
dikeringkan. Kelemahan dari proses ini adalah investasi dan biaya operasionalnya
cukup tinggi.
c) proses kering
Proses kering maksudnya adalah proses anaerobik yang terjadi pada
substrat yang konsentrasi TS-nya lebih tinggi dari 20%. Produksi biogas di
landfill terjadi pada sampah kota bagian bawah dengan kadar TS 40-70%.
Eksplorasi biogas dari landfill pertama kali dilakukan di Palos Verde California
tahun 1974 yaitu sebesar 35.000 m³
yang didistribusikan ke pelanggan.
Teknologi ini kemudian diadopsi oleh swiss dan jerman. Biogas landfill umumnya
produktifitasnya sekitar 200 liter per kg TS sampah, tetapi yang bisa didaur ulang
hanya sekitar 20-25% atau sekitar 40-50 liter.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Teknologi landfill yang dikenal umum adalah sampah dimasukkan ke
dalam lubang, lalu bagian atas sampah ditimbun tanah. Selanjutnya, bagian atas
timbunan tanah tersebut ditimbun lagi dengan sampah dan ditutup lagi oleh tanah
dan seterusnya. Biogas yang dihasilkan oleh area landfill di bawah tanah akan bisa
berproduksi sampai 20 tahun bila volume cukup besar. Agar lebih jelasnya
teknologi landfill dengan teknologi aerobic composting dapat dilihat pada gambar
2.2.
Gambar 2.2 Modifikasi teknologi landfill dengan teknologi aerobik komposting
Sumber : Sudradjat, H.R., 2006. Mengelola sampah kota. Depok: penebar
swadaya
Suatu contoh di landfill “Am Lamber” Jerman memiliki area 16 ha.
Kedalamannya 40 m dan kapasitas penampungan sampah sebanyak 3,4 juta m³
dan baru diisi 2/3-nya. Biogas dikeluarkan melalui pipa-pipa vertikal dan
menghasilkan 1.200 m³ biogas per jam (50%
), kemudian dikeluarkan
menjadi tenaga listrik melalui 2 buah generator berkapasitas masing-masing
144kW. Produktifitas biogas adalah 12 liter/m³ r.d. Kasus yang sama juga ada di
Pforzheim landfill (Swiss) yang dibangun 1981. Luas areal 10 ha dengan daya
tampung 3 juta m³ sampah dapat menghasilkan tenaga listrik dari 4 buah generator
berkapasitas total 260 kW.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Kesulitan dalam menerapkan teknologi landfill adalah keharusan membuat
lubang yang dalam nya 13 – 14 m. Padahal,seringkali sumber air sudah diperoleh
pada kedalaman yang sangat dangkal (<10m) di lahan Indonesia. Selain itu, cara
pembuatan landfill yang sembarangan dapat menimbulkan efek yang sangat
berbahaya (ledakan). Penyebab nya adalah Biogas dapat menyelinap di antara
rongga tanah, berakumulasi, dan susah di deteksi karena tidak berbau.
Proses kering juga dapat dilaksanakan di dalam rekator di antaranya
dikenal dengan nama proses Dranco atau Dry Anaerobik Conversion Prosess.
Proses ini dikembangkan oleh Prof. Willy Verstraete dari Rijksuniversiteit Gent di
Belgia (1985). Proses Dranco memiliki kelebihan dibandingkan dengan proses
anaerobik lainnya karena tingginya produktivitas biogas dan kompos yang bebas
dari hama penyakit.
Sampah organik dimasukan ke dalam reaktor dan di fermentasi selama 21
hari. Setelah hari ke-21, kompos di keluarkan mengunakan screw feeder dalam
jumlah yang sama banyak nya dengan sampah segar yang akan di masukan ke
dalam reaktor. Bahan baku kemudian di masukan setiap hari dengan cara
mencampur nya dengan bahan baku yang sudah ada di dalam reaktor
menggunakan screw feeder. Campuran tersebut di masukan mengunakan pompa
melalui bagian atas reaktor. Demikian seterus nya setiap hari di lakukan
pengambilan kompos serta pemasukan sampah baru. Biogas yang terjadi setelah
hari ke-21 berangsur-angsur terus meningkat volume nya sampai mencapai
kapasitas maxsimum, kemudian stabil.
Proses kering ini dipakai untuk menghasilkan biogas dari sampah di TPA.
Sampah kota yang berasal dari sumber sampah terlebih dahulu dipilah antara
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
Tugas Akhir
Teknik Mesin
bahan organik yang mudah terurai dengan bahan organik yang sulit terurai
(residu). Bahan anorganik yang laku dijual dipisahkan dari bahan anorganik yang
laku dijual langsung diambil oleh pemulung, sedang residu berupa bahan organik
natau anorganik dibakar oleh incinerator.
Bahan organik yang mudah terurai sebanyak 75% masuk kedalam proses
landfill, sedangkan 25% masuk ke dalam unit proses anaerobik komposting
(Dranco). Sampah organik yang diolah dengan proses landfill menghasilkan
sebanyak 7.200 m³ perhari dengan 300 m³ untuk mengantisipasi kehilangan gas
dalam pipa (1 ton sampah menghasilkan 10 m³ biogas/tahun). Dari produksi
biogas tersebut, sebanyak 3.200 m³ per hari digunakan untuk pemanasan reaktor
Dranco agar mencapai suhu termofilik 55ºC serta inhouse power pompa dan
motor untuk keseluruhan teknologi Dranco yang berfungsi dalam pembuatan
kompos. Sisanya, 4.000 m³ biogas perhari, digabungkan dengan biogas yang
keluar dari Dranco dan disimpan di dalam tabung penampungan biogas. Sampah
organik yang diolah dengan proses Dranco di dalam reaktor berkapasitas 7500 m³.
Diagram alir pengolahan sampah dapat dilihat pada gambar 2.3.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Sampah Kota
Pemilahan
landfill
Incerator
residu
Panas
Dijual
Proses anaerobik
(Dranco)
Kompos
(pengeringan,
Packing)
abu
Diversifikasi
kompos
Biogas
Pemurnian
biogas
Kehutanan
Pembangkit
listrik
Biogas
Gambar 2.3. Diagram alir teknologi terpadu pengolahan sampah di kota
Sumber : Sudradjat, H. R., 2006. Mengelola sampah kota. Depok: penebar
swadaya
2.2. Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Pengganti
Biogas merupakan sumber energi alternatif yang mampu menyumbangkan
dalam usaha memenuhi kebutuhan bahan bakar. Pemanfaatan biogas memiliki
kelebihan dibandingkan dengan penggunaan sumber energi lainnya. Bahan bakar
biogas jika dibakar tidak berasap seperti arang kayu atau kayu bakar. Selain itu
limbah biogas dapat dimanfaatkan sebagai pupuk organik, baik berbentuk cair
atau padat yang baik bagi pertumbuhan tanaman.
Selain dimanfaatkan untuk bahan bakar memasak, biogas sangat potensial
sebagai sumber energi terbarukan karena nilai kalor pada gas metana nya tersebut.
Sehingga biogas dapat dimanfaatkan untuk penerangan, proses pengeringan,
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
Tugas Akhir
Teknik Mesin
untuk proses penghasil panas, untuk kendaraab bermotor dan pembangkit tenaga
listrik. Pemanfaatan biogas mempunyai beberapa keunggulan jika dibandingkan
dengan bahan bakar fosil diantaranya biogas mempunyai sifat yang ramah
lingkungan.
Dari biogas ini kita dapat menghasilkan gas metan
yang dapat
digunakan sebagai bahan bakar pengganti dari bensin atau diesel. Biogas di dunia
internasional telah banyak dikembangkan sebagai bahan bakar dalam motor baik
bensin maupun diesel. Pada umumnya penerapan biogas cenderung menggunakan
motor diesel dibandingkan motor bensin, namun penerapan biogas relatif lebih
mudah dikembangkan pada motor bensin karena pengubahan dari konstruksi
standar tidak banyak. Pada kompor pun modifikasi yang dilakukan hanya
menyesuaikan nilai perbandingan stoikiometri dari proses pembakaran udara dan
biogas.
Jika dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon lain, pembakaran
metana menghasilkan sedikit karbon diokasida untuk setiap unit panas dilepaskan.
Panas pembakaran metana sekitar 891 kJ/mol, lebih rendah dari pada hidrokarbon
lainnya. Rasio panas pembakaran (891 kJ/mol) dengan massa molekul (16,0
g/mol) menunjukkan bahwa metana menjadi hidrokarbon paling sederhana,
menghasilkan panas lebih banyak per unit massa (55,7 kJ/g) dan hidrokarbon
kompleks lainnya. Pengujian menunjukkan, HHV = 23.890 Btu/lb atau 994,7
Btu/ft³ LHV =21518 Btu/lb atau 896,0 Btu/ft³ pada 68ºF dan 14,7 psa (marks,
1999).
Gas metan memiliki berat jenis kurang dari bensin dan LPG yaitu 55. Hal
ini menyebabkan gas metan cepat terbang ke udara sehingga lebih aman dari LPG
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
Tugas Akhir
rasio udara –
Teknik Mesin
biogas agar terjadi pembakaran sempurna berdasarkan
keseimbangan kimia adalah 9,5:1. hingga 10:1. Pada pelaksanaan percobaan ini
digunakan kran untuk mengatur pencampuran udara biogas agar mesin berjalan
dengan lancar. Biogas memiliki kecepatan pembakaran yang sangat lambat
dibandingkan LPG maupun bensin. Kecepatan pembakaran nya adalah 290 m/s.
kemampuan-bakarannya adalah 4% hingga 14%. Dua hal ini menjadikan biogas
dapat memiliki efisiensi pembakaran yang tinggi (Kapdi dkk, 2006).
Biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Sebagai perbandingan
bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94, sementara alkohol terbaik hanya 105
saja. Hal ini berarti biogas dapat digunakan pada mesin dengan perbandingan
kompresi tinggi dan juga menghindarkan mesin dari terjadi knocking atau
ketukan. Titik didih biogas adalah 300 derajat celcius (Kapdi dkk, 2006).
Menurut Sri Wahyuni (2011), jumlah energi yang terdapat dalam biogas
tergantung konsentrasi metana. Semakin tinggi kandungan metana, maka semakin
besar kandungan energi (nilai kalori) biogas. Sebaliknya, semakin kecil
kandungan metan, semakin kecil nilai kalori. Selain itu, kualitas biogas juga dapat
ditingkatkan dengan cara menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan
karbondioksida. Pasalnya, hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang
menyebabkan korosi. Jika biogas mengandung senyawa ini, maka gas yang
ditimbulkan menjadi berbahaya. Sementara itu, kandungan air dalam biogas akan
menurunkan titik penyalaan biogas serta dapat menimbulkan korosif. Kandungan
hidrogen sulfur, air, dan karbondioksida dapat dihilangkan dengan menggunakan
alat atau bahan desulfurizer, yang dibutuhkan untuk menyalakan generator tanpa
terkena korosi.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
Tugas Akhir
Teknik Mesin
2.3. Pengaplikasian Biogas
Biogas yang dihasilkan dapat diaplikasikan untuk berbagai alat, antara
lain, kompor, lampu, generator, ricecooker, oven, mesin pasteurisasi, dan gasolec.
Bahkan, bila diperlukan biogas yang dihasilkan juga bias ditampung dalam biogas
storage. Pada dasarnya mengoperasikan peralatan yang menggunakan bahan
bakar tidaklah sulit. Sama seperti pengoperasian pada umumnya. Berikut beberapa
peralatan berbahan biogas yang akan dipakai untuk penelitian ini.
2.3.1. Kompor Biogas
Kompor adalah alat masak yang menghasilkan panas tinggi. Istilah ini
sering diartikan ruang tertutup di mana bahan bakar dibakar untuk memberikan
pemanasan, baik untuk memanaskan ruangan dimana kompor itu sendiriataupun
untuk memanaskan kompor itu sendiri, dan barang-barang yang diletakkan di
atasnya (id.Wikipedia.org).
Memasak adalah salah satu dari penggunaan atau pengaplikasian utama
biogas. Gas dari reaktor ataupun dari kantung biogas. Sebelum menggunakan
biogas sebagai bahan bakar, terlebih dahulu siapkan kompor. Kompor yang
digunakan adalah jenis kompor gas biasa. Namun, kompor gas tersebut telah
dimodifikasi sehingga dapat memakai bahan bakar biogas.
Mengoperasikan kompor biogas hampir sama dengan pengoperasian
kompor gas biasa. Hanya saja, kompor biogas membutuhkan penyulut untuk
menyalakan api. Benuk kompor biogas dapat dilihat pada gambar 2.4.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Gambar 2.4. Kompor Biogas
Sumber : PT. Swen IT
2.3.2. Lampu Biogas
seperti halnya kompor, lampu yang digunakan juga telah mengalami
modifikasi sehingga bisa di nyalakan dengan memakai bahan bakar biogas. Cara
menghidupkan lampu berbahan bakar biogas pertama buka gas yang mengalir ke
lampu. Nyalakan penyulut dan dekatkan penyulut pada lampu. Atur lampu pada
kran gas sesuai dengan kebutuhan. Lampu biogas dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Lampu Biogas
Sumber : PT. swen IT
2.3.3. Generator Biogas
Genset atau kepanjangan dari generator set adalah sebuah perangkat yang
berfungsi menghasilkan daya listrik. disebut sebagai generator set dengan
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
Tugas Akhir
Teknik Mesin
pengetian adalah satu set peralatan gabungan dari dua perangkat berbeda yaitu
engine dan generator. Gambar Generator set dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Generator set yang digunakan dalam penelitian
Sumber : PT. Swen IT
Engine sebagai perangkat pemutar sedangkan generator sebagai
perangkat pembangkit listrik, generator merupakan kumparan atau gulungan
tembaga yang terdiri dari stator (kumparan statis) dan rotor (kumparan berputar.
Dalam ilmu fisika yang sederhana dapat dijelaskan bahwa engine memutar rotor
pada generator sehingga timbul medan magnet pada kumparan stator dan
berinteraksi dengan rotor yang berputar akan menghasilkan arus listrik sesuai
hukum Lorentz, bila penghantar berarus diletakan didalam medan magnet, maka
pada penghantar akan timbul gaya. Skema dari generator dapat dilihat pada
gambar 2.7.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Gambar 2.7 Konstruksi generator arus bolak – balik
Sumber : Teknik Dasar Generator, 2003 : Departemen Pendidikan Nasional
Prinsip dasar generator arus bolak – balik menggunakan hukum Faraday yang
menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah –
ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. Arus
listrik yang dihasilkan oleh generator akan memiliki perbedaan tegangan diantara
kedua kutub generatornya sehingga apabila dihubungkan dengan beban akan
menghasilkan daya listrik. Daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan
usaha. Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi yang
digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan
dalam satuan Watt atau horspower (HP), Horspower
merupakan satuan daya
listrik dimana 1 HP setara 746 Watt atau lbft/second. Sedangkan Watt merupakan
unit daya listrik dimana 1 watt memiliki daya setara dengan daya yang dihasilkan
oleh perkalian 1 arus Ampere dan tegangan 1 volt.
Daya dinyatakan dalam P, tegangan dinyatakan dalam V dan arus dinyatakan
dalam I, sehingga besarnya daya dinyatakan :
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
25
Tugas Akhir
Teknik Mesin
P=VxI
P = Volt x Ampere x Cos φ
P = Watt
Arah aliran arus listrik dapat dilihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Arah aliran arus listrik
a. Daya Aktif
b. Daya aktif (Aktif Power) adalah daya yang terpakai untuk melakukan
energi yang sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. Misalnya energi
panas, cahaya, mekanik dan lain – lain.
P = V.I. Cos φ
P = 3. V1. I1.Cos φ
Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam
bentuk kerja.
c. Daya Reaktif
Daya reaktif adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan
medan magnet. Dari pembentukan meda magnet maka akan terbentuk
fluks medan magnet. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah
transformator, motor, lampu pijar dan lain – lain.satuan daya reaktif
adalah.
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
26
Tugas Akhir
Teknik Mesin
Q = V.I. Sin φ
Q = 3.V1.I1Sin φ
d. Daya Nyata
Daya Nyata (Apparent Power) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian
antara tegangan rms dan arus rms dalam suatu jaringan atau daya yang
merupakan hasil penjumlahan trigonometri daya aktif dan daya reaktif.
Satuan daya nyata adalah volt ampere VA. Gambar 2.9 dibawah
menjelaskan tentang trigonometri daya aktif dan daya reaktif.
Gambar 2.9. Penjumlahan trigonometri daya aktif, reaktif dan semu
S = P + JQ, mempunyai nilai/ besar dan sudut.
S=S<φ
S = √P2 + √Q2 < φ
Untuk mendapatkan daya nyata satu phasa, maka dapat diturunkan
persamaannya seperti dibawah ini :
S = P + jQ
Dari gambar terlihat bahwa
P = V.I.Cos φ
P = V.I.Sin φ
Maka
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
27
Tugas Akhir
Teknik Mesin
S1 φ = V2.I2. Cos2 φ + V2.I2 Sin2 φ
S1 φ = V2.I2.(Cos2 φ + Sin2 φ) = 1
S1 φ = V2.I2
S1 φ = √V2.I2
S1φ=V.I
Universitas Mercubuana
http://digilib.mercubuana.ac.id/
28