BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 ENERGI TERBARUKAN Sumber daya energi terbarukan adalah sumber energi yang akan konstan dalam rentang waktu jutaan tahun. Sumber-sumber energi yang termasuk dalam kategori terbarukan adalah sinar matahari, aliran air sungai, angin, gelombang laut, arus pasang surut, panas bumi, dan biomassa. Sejak ditemukan sumber energi yang lebih modern, yaitu bahan bakar fosil dan tenaga nuklir, peranan energi terbarukan di seluruh belahan dunia terutama di banyak negara maju mengalami penurunan. Namun sejak terjadinya krisis minyak pada era 1970-an yang dilanjutkan dengan meningkatnya kesadaran terhadap kelestarian lingkungan global, potensi energi tebarukan sebagai sumber energi alternatif kembali mendapat perhatian [6] Karakteristik Energi Terbarukan Karakteristik energi terbarukan hampir tidak memiliki kesamaan satu sama lain. Meskipun demikian, teknologi energi terbarukan mempunyai beberapa sifat umum [6] sebagai berikut: a. Sumber-sumber energi terbarukan tidak akan habis. b. Sumber energi terbarukan secara geografis bersifat tersebar dan umumnya dikembangkan dan dimanfaatkan di lokasi sumber energi tersebut berada. c. Sumber energi terbarukan mempunyai densitas daya dan energi yang rendah sehingga perangkat teknologi pemanfaatannya menempati lahan yang relatif luas. d. Teknologi-teknologi energi terbarukan pada umumnya memerlukan biaya kapital tinggi tetapi biaya operasinya rendah. e. Beberapa teknologi energi terbarukan bersifat modular sehingga responsif terhadap pertumbuhan permintaan dan dapat dikonstruksi dalam waktu relatif singkat. f. Teknologi-teknologi energi terbarukan pada umumnya ramah lingkungan. 6

2 2.1.2 Keunggulan Energi Terbarukan Adapun keunggulan dari energi terbarukan [6] antara lain : a. Sumber energi terbarukan merupakan sumber daya indigenous (diperoleh dari sumber daya alam sendiri) yang tersedia dalam jumlah banyak. Pemakaian energi terbarukan akan menghemat pengeluaran impor bahan bakar fosil (untuk Indonesia hal ini berarti menambah kesempatan ekspor) dan akan menciptakan lapangan kerja jika teknologi-teknologi konversinya dikembangkan dengan memanfaatkan sumber daya yang ada di dalam negeri. b. Beberapa energi terbarukan telah mencapai tahap yang kompetitif, baik secara finansial maupun ekonomi untuk aplikasi tertentu, seperti di lokasi-lokasi terpencil yang biaya transmisi listrik ataupun transportasi bahan bakar ke lokasi tersebut mahal. c. Teknologi-teknologi energi terbarukan bersifat fleksibel dan modular, sehingga dapat dipasang dan beroperasi relatif lebih cepat. d. Perkembangan teknologi yang cepat dari sistem energi terbarukan diharapkan dapat memperlebar skala ekonomi dari aplikasi energi terbarukan dalam dekade mendatang. 2.2 BIOMASSA Biomassa didefenisikan sebagai material tanaman, tumbuh-tumbuhan, atau sisa hasil pertanian yang digunakan sebagai bahan bakar atau sumber bahan bakar. Secara umum sumber-sumber biomassa dapat berupa tongkol jagung, jerami, tempurung kelapa, material kayu seperti kayu atau kulit kayu, potongan kayu, dan lain sebagainya [7]. Gambar 2.1 Tipe-tipe Biomassa 7

3 Biomassa merupakan produk fotosintesis, yakni butir-butir hijau daun yang bekerja sebagai sel surya, menyerap energi matahari yang mengkonversi dioksida karbon dengan air menjadi suatu senyawa karbon, hidrogen dan oksigen. Senyawa ini dapat dipandang sebagai suatu penyerapan energi yang dapat dikonversi menjadi suatu produk lain. Hasil konversi dari senyawa itu dapat berbentuk arang atau karbon, ter dan lain sebagainya [3]. Energi yang disimpan tersebut dapat dimanfaatkan dengan langsung membakar kayu, sedangkan panas yang dihasilkan digunakan untuk memasak atau keperluan lainnya. Potensi biomassa di Indonesia yang bisa digunakan sebagai sumber energi jumlahnya sangat melimpah. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati memberi tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efisiensi 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 bisa lebih mahal daripada memanfaatkannya. Ketiga, mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karena penyediaan tempat penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan [8]. Pembuatan briket dari bahan baku biomassa diharapkan dapat mengatasi permasalahan lingkungan, juga menjadi solusi dari kelangkaan bahan bakar karena proses produksi briket yang tergolong mudah dan tidak memerlukan keterampilan khusus. Bahan utama yang harus terdapat dalam bahan baku pembuatan briket adalah selulosa, semakin tinggi kandungan selulosa semakin baik kualitas briket [8]. 2.3 BIOARANG DAN BRIKET BIOARANG Bioarang Bioarang merupakan arang (salah satu jenis bahan bakar) yang dibuat dari aneka macam bahan hayati atau biomassa, misalnya kayu, ranting, daun-daunan, rumput, jerami, kertas, ataupun limbah pertanian lainnya yang dapat dikarbonisasi. Bioarang ini dapat diolah lebih lanjut, salah satunya adalah menjadi briket bioarang [6]. 8

4 Bioarang sebenarnya termasuk bahan lunak yang dengan proses tertentu diolah menjadi bahan arang keras dengan bentuk tertentu. Kualitas bioarang ini tidak kalah dengan batubara atau bahan bakar jenis arang lainnya. Bioarang yang dihasilkan selain memperhatikan faktor internal harus juga memperhatikan faktor eksternal seperti persaingan di pasar global yang memerlukan teknologi yang dapat meningkatkan nilai tambah dan juga mutu produk Briket Bioarang Briket bioarang adalah gumpalan-gumpalan atau batangan-batangan arang yang terbuat dari bioarang (bahan lunak). Bioarang yang sebenarnya termasuk bahan lunak yang dengan proses tertentu diolah menjadi bahan arang keras dengan bentuk tertentu yang disebut briket. Kualitas dari briket bioarang ini tidak kalah dengan batubara atau bahan bakar jenis arang lainnya. Briket bioarang dapat digunakan untuk keperluan energi alternatif sehari-hari sebagai pengganti minyak tanah [9]. Gambar 2.2 Briket Bioarang Pembuatan briket bioarang dari limbah pertanian dapat dilakukan dengan menambah bahan perekat, dimana bahan baku diarangkan terlebih dahulu kemudian ditumbuk, dicampur perekat, dicetak dengan sistem hidrolik maupun manual dan selanjutnya dikeringkan [3]. Briket bioarang merupakan bahan bakar alternatif yang cukup berkualitas. Bahan bakar ini dapat dimanfaatkan dengan teknologi yang sederhana, tetapi panas (nyala api) yang dihasilkan cukup besar, cukup lama, dan aman. Bahan 9

5 bakar ini cocok digunakan oleh para pedagang atau pengusaha yang memerlukan pembakaran yang terus-menerus dalam jangka waktu yang cukup lama [3]. Keuntungan yang diperoleh dari penggunaan briket bioarang antara lain adalah biayanya amat murah. Alat yang digunakan untuk pembuatan briket bioarang cukup sederhana dan bahan bakunya pun sangat murah, mudah didapat bahkan tidak perlu membeli karena berasal dari sampah, daun-daun kering, limbah pertanian yang sudah tidak berguna lagi. Bahan baku untuk pembuatan arang umumnya telah tersedia di sekitar kita. Faktor-faktor yang mempengaruhi sifat briket bioarang adalah berat jenis bahan bakar atau berat jenis serbuk arang, kehalusan serbuk, suhu karbonisasi, dan tekanan pengempaan. Selain itu, pencampuran perekat dengan briket juga mempengaruhi sifat briket [10]. Secara umum beberapa spesifikasi briket yang dibutuhkan oleh konsumen [10] adalah sebagai berikut: 1. Daya tahan briket. 2. Ukuran dan bentuk yang sesuai untuk penggunaannya. 3. Bersih (tidak berasap), terutama untuk sektor rumah tangga. 4. Bebas gas-gas berbahaya. 5. Sifat pembakaran yang sesuai dengan kebutuhan (kemudahan dibakar, efisiensi energi, pembakaran yang stabil) Proses Pembuatan Briket Secara umum proses pembuatan briket melalui tahap penggerusan, pencampuran, pencetakan, pengeringan, dan pengepakan [6]. a. Penggerusan yaitu menggerus bahan baku briket untuk mendapatkan ukuran partikel butiran tertentu. Alat yang digunakan adalah crusher. b. Pencampuran yaitu mencampur bahan baku briket pada komposisi tertentu untuk mendapatkan adonan yang homogen. Alat yang digunakan adalah mixer, combining blender, horizontal kneader, dan freet mill. c. Pencetakan yaitu mencetak adonan briket untuk mendapatkan bentuk tertentu sesuai yang diinginkan. Alat yang digunakan adalah Briquetting Machine. d. Pengeringan yaitu proses mengeringkan briket dengan menggunakan udara panas pada temperatur tertentu untuk menurunkan kandungan air briket. 10

6 e. Pengepakan yaitu pengemasan produk briket sesuai dengan spesifikasi kualitas dan kuantitas yang telah ditentukan Parameter Kualitas Briket Beberapa parameter kualitas briket yang akan mempengaruhi pemanfaatannya [10] yaitu : 1) Kandungan Air Moisture (kandungan air) yang dikandung dalam briket dapat dinyatakan dalam dua macam: (a) Free moisture (uap air bebas) Free moisture dapat hilang dengan penguapan, misalnya dengan airdrying. Kandungan free moisture sangat penting dalam perencanaan coal handling dan preperation equipment. (b) Inherent moisture (uap air terikat) Kandungan inherent moisture dapat ditentukan dengan memanaskan briket pada temperatur o C selama satu jam. 2) Kandungan Abu Semua briket mempunyai kandungan zat anorganik yang dapat ditentukan jumlahnya sebagai berat yang tinggal apabila briket dibakar secara sempurna. Zat yang tinggal ini disebut abu. Abu briket berasal dari clay, pasir, dan bermacammacam zat mineral lainnya. Briket dengan kandungan abu yang tinggi sangat tidak menguntungkan karena akan membentuk kerak. 3) Kandungan Zat Menguap (Volatile matter) Zat menguap terdiri dari gas-gas yang mudah terbakar seperti hidrogen, karbon monoksida (CO), dan metana (CH 4 ), tetapi kadang-kadang terdapat juga gas-gas yang tidak terbakar seperti CO 2 dan H 2 O. Volatile matter adalah bagian dari briket dimana briket akan berubah menjadi volatile matter (produk) bila briket tersebut dipanaskan tanpa udara pada suhu ± 950 o C. Untuk kadar volatile matter ± 40% pada pembakaran akan memperoleh nyala yang panjang dan akan memberikan asap yang banyak. Sedangkan untuk kadar volatile matter rendah antara 15 25% lebih disenangi dalam pemakaian karena asap yang dihasilkan sedikit. 11

7 4) Nilai Kalor Nilai kalor dinyatakan sebagai heating value yang merupakan parameter yang penting dari suatu thermal coal. Gross calorific value diperoleh dengan membakar sampel briket didalam bomb calorimeter dengan mengembalikan sistem ke temperatur awal. Net calorific value biasanya antara % dari gross value dan tergantung dari kandungan inherent moisture serta kandungan hidrogen dalam briket. Standar mutu briket arang untuk bahan baku kayu, kulit keras, batubara, dan batok kelapa/tempurung kelapa dapat dilihat pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Standar Mutu Briket Arang Menurut SNI dan Beberapa Negara [1] Jenis Standar Mutu Briket Analisa Jepang Inggris Amerika SNI Kadar air maks 8 maks 4 maks 6 maks 8 (%) Kadar abu maks 7 maks 10 maks 16 maks 10 (%) Kerapatan 1,0-1,2 0,46-0,84 1,0-1,2 0,5-0,6 (gr/cm 3 ) Kuat tekan min 60 min 12,7 min 62 min 50 (kg/cm 2 ) Nilai kalor min min (kal/gr) Zat menguap maks maks 15 (%) 2.4 TANAMAN ECENG GONDOK Eceng gondok adalah tumbuhan air yang mengapung bebas dipermukaan air atau dapat pula tumbuh mengakar apabila airnya dangkal. Tanaman ini berasal dari Brazil, yang kemudian meluas ke berbagai negara. Gambar eceng gondok dapat dilihat pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 Eceng gondok 12

8 Sistematika taksonomi eceng gondok adalah sebagai berikut: Divisi Sub Divisi Kelas Bangsa Suku Genus Spesies : Spermatophyta : Angiospermae : Monocotyledoneae : Bromeliales : Potedericeae : Eichhornia : Eichhornia Crassipes Solms Eceng gondok (Eichornia crossipes) merupakan tumbuhan air yang tumbuh di rawa-rawa, danau, waduk, dan sungai yang alirannya tenang. Eceng gondok memiliki kandungan air yang sangat besar yakni hingga 90% dari berat tanaman sebenarnya. Dari 10 kg eceng gondok setelah dikeringkan beratnya hanya 1 kg [4]. Kandungan eceng gondok dapat dilihat pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Kandungan Tanaman Eceng Gondok [4] Keadaan Bahan Kandungan Persentase (%) Basah Kadar air 90 Kering Protein kasar 13,03 Serat kasar 20,60 Lemak 1,01 Kadar abu 23,80 Vortex dan mineral 41,47 Eceng gondok dapat tumbuh pesat karena kemampuannya beradaptasi meskipun dalam keadaan lingkungan yang kurang menguntungkan. Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi kecepatan pertumbuhannya yakni [13]: 1. ph air Pertumbuhan maksimum eceng gondok terjadi pada ph 7. Meskipun pada ph 7 merupakan ph optimal untuk pertumbuhan, namun tanaman ini dapat bertahan pada ph 4-5 dan Perubahan morfologi abnormal terjadi bila ph terlalu tinggi atau terlalu rendah, yaitu akar menjadi keras, agak rusak, dan tidak ditemukannya akar-akar lateral. 13

9 2. Intensitas cahaya Pada keadaan cahaya matahari 100%, tanaman ini tumbuh dan berkembang biak paling cepat dibandingkan dengan cahaya matahari 75%, 50% atau 25%. 3. Temperatur Temperatur merupakan faktor yang menentukan distribusi eceng gondok dimana pada suhu 25 o C tumbuh dengan pesat. Kecepatan pertumbuhan relatif tanaman ini adalah lima kali lebih tinggi pada musim panas bila dibandingkan dengan musim dingin. 4. Unsur hara Pada ph sekitar 7, eceng gondok menyerap unsur hara paling banyak terutama N. 2.5 TEMPURUNG KELAPA Tempurung merupakan lapisan yang keras dengan ketebalan antara 3 mm sampai 5 mm. Sifat kerasnya disebabkan oleh banyaknya kandungan silikat (SiO 2 ) yang terdapat pada tempurung tersebut. Dari berat total buah kelapa, antara 15% sampai 19% merupakan berat tempurungnya. Selain itu tempurung juga banyak mengandung lignin. Sedang kandungan metoksil dalam tempurung hampir sama dengan yang terdapat dalam kayu [3]. Gambar 2.4 Tempurung kelapa 14

10 Tabel 2.3 Komposisi Kimia Tempurung Kelapa [3] Unsur Kimia Kandungan (%) Selulosa 26,60 Pentosan 27,00 Lignin 29,40 Kadar Abu 0,60 Solfen Ekstraktif 4,20 Uronat anhidrad 3,50 Nitrogen 0,11 Air 8,00 Tempurung kelapa merupakan limbah organik yang memiliki peluang untuk dijadikan sebagai bahan bakar. Tempurung kelapa digunakan sebagai bahan dasar pembuatan briket karena tempurung kelapa memiliki sifat difusi termal yang baik karena tingginya kandungan selulosa dan lignin yang terdapat di dalam tempurung. Selain itu, keberadaan tempurung kelapa yang melimpah baik yang berasal dari limbah pertanian maupun yang berasal dari limbah rumah tangga dan industri belum dimanfaatkan secara maksimal. Untuk meningkatkan penggunaan tempurung kelapa sebagai bahan bakar alternatif maka tempurung kelapa dapat dibuat menjadi briket [14]. Tempurung kelapa yang akan dijadikan briket haruslah tempurung yang berasal dari kelapa yang sudah tua, kering dan bersih dari pengotor seperti serabut, tanah ataupun pasir yang menempel pada tempurung karena akan berpengaruh pada saat proses karbonisasi dan pada mutu briket yang dihasilkan. Tempurung yang basah akan menimbulkan banyak asap pada saat dilakukan karbonisasi [14]. Arang tempurung kelapa dapat dibentuk menjadi briket atau pelet melalui proses pemadatan. Untuk memahami sifat dan karakteristik tempurung kelapa yang sesuai sebagai bahan bakar maka perlu dipahami mengenai sifat fisik dan kimianya seperti kerapatan, struktur, morfologi, dan termal. Perubahan tempurung kelapa menjadi arang diperoleh melalui proses pirolisis. Perubahan komposisi dan sifat termal tempurung kelapa menjadi arang ditunjukkan pada Tabel

11 Tabel 2.4 Perbandingan Sifat Antara Tempurung Kelapa dan Arangnya [15] Bahan Komponen Kandungan (%) Sifat termal (kj/kg) Tempurung Moisture 10, Kelapa Volatile Matter 67,67 Karbon 18,29 Abu 3,58 Arang Volatile Matter 10, Tempurung Karbon 76,32 Kelapa Abu 13,08 Perubahan atau konversi tempurung kelapa menjadi arang menghasilkan karbon sisa yang banyak dan peningkatan kandungan abu namun tetap tidak sebanyak peningkatan kandungan karbonnya. Perubahan lain yang mencolok adalah penghilangan kandungan air dan bahan mudah uap (volatile). 2.6 PROSES KARBONISASI Karbonisasi adalah proses pemanasan suatu material biomassa pada temperatur relatif tinggi tanpa oksigen yang cukup untuk terbakar (jumlah oksigen dibatasi) untuk menghasilkan arang atau karbon. Pelaksanaan karbonisasi meliputi teknik yang paling sederhana hingga yang paling canggih. Tentu saja metode pengarangan yang dipilih disesuaikan dengan kemampuan dan kondisi keuangan. Berikut akan dijelaskan beberapa metode karbonisasi (pengarangan) [6]. a. Pengarangan terbuka Metode pengarangan terbuka artinya pengarangan tidak di dalam ruangan sebagaimana mestinya. Risiko kegagalannya lebih besar karena udara langsung kontak dengan bahan baku. Metode pengarangan ini paling murah dan paling cepat, tetapi bagian yang menjadi abu juga paling banyak, terutama jika selama proses pengarangan tidak ditunggu dan dijaga. Selain itu bahan baku harus selalu dibolak-balik agar arang yang diperoleh seragam dan merata warnanya. b. Pengarangan di dalam drum Drum bekas aspal atau oli yang masih baik bisa digunakan sebagai tempat proses pengarangan. Metode pengarangan di dalam drum cukup praktis karena bahan baku tidak perlu ditunggu terus-menerus sampai menjadi arang. 16

12 c. Pengarangan di dalam silo Sistem pengarangan silo dapat diterapkan untuk produksi arang dalam jumlah banyak. Dinding dalam silo terbuat dari batu bata tahan api. Sementara itu, dinding luarnya disemen dan dipasang besi beton sedikitnya 4 buah tiang yang jaraknya disesuaikan dengan keliling silo. Sebaiknya sisi bawah silo diberi pintu yang berfungsi untuk mempermudah pengeluaran arang yang sudah jadi. Hal yang penting dalam metode ini adalah menyediakan air yang banyak untuk memadamkan bara. d. Pengarangan semi modern Pada metode pengarangan semi modern sumber apinya berasal dari plat yang dipanasi atau batu bara yang dibakar. Akibatnya udara di sekeliling bara ikut menjadi panas dan memuai ke seluruh ruangan pembakaran. Panas yang timbul dihembuskan oleh blower atau kipas angin bertenaga listrik. e. Pengarangan super cepat Pengarangan supercepat hanya membutuhkan waktu pengarangan hanya dalam hitungan menit. Metode ini menggunakan penerapan roda berjalan. Bahan baku dalam metode ini bergerak melewati lorong besi yang sangat panas dengan suhu mendekati 700 ºC. Lamanya pengarangan ditentukan oleh jumlah atau volume bahan organik, ukuran partikel bahan, kerapatan bahan, tingkat kekeringan bahan, jumlah oksigen yang masuk, dan asap yang keluar dari ruang pembakaran. Sementara itu, arang masih memiliki jumlah energi karena belum menjadi abu. Arang itulah yang akan di proses menjadi briket kemudian menjadi karbon [6]. 2.7 BAHAN PEREKAT Perekat adalah suatu zat atau bahan yang memiliki kemampuan untuk mengikat dua benda melalui ikatan permukan. Untuk merekatkan partikel-partikel zat dalam bahan baku pada proses pembuatan briket maka diperlukan zat perekat, sehingga dihasilkan briket yang kompak. Dapat dilihat pada Gambar

13 Gambar 2.5 Tepung kanji/tapioka Bahan perekat dapat dibedakan atas 3 (tiga) jenis [3], yaitu : 1. Perekat anorganik Termasuk dalam jenis ini adalah sodium silikat, magnesium, semen dan sulfit. Kerugian dari penggunaan bahan perekat ini adalah sifatnya yang banyak meninggalkan abu sekam pada waktu pembakaran. 2. Bahan perekat tumbuh-tumbuhan Jumlah bahan perekat yang dibutuhkan untuk jenis ini jauh lebih sedikit bila dibandingkan dengan bahan perekat hydrocarbon. Kerugian yang dapat ditimbulkan adalah arang cetak yang dihasilkan kurang tahan terhadap kelembaban. 3. Hydrocarbon dengan berat molekul besar Bahan perekat jenis ini sering kali dipergunakan sebagai bahan perekat untuk pembuatan arang cetak ataupun batubara cetak. Pada percobaan ini digunakan jenis perekat tepung tapioka yang memiliki sifat sebagai berikut: - Daya serap tehadap air yang baik - Mempunyai kekuatan perekatan yang baik - Mudah didapat dan tidak menggangu kesehatan. Perekat pati dalam bentuk cair sebagai bahan perekat menghasilkan briket arang bernilai rendah dalam hal kerapatan, keteguhan tekan, kadar abu, dan zat mudah menguap, tetapi akan lebih tinggi dalam hal kadar air, karbon terikat dan nilai kalornya apabila dibandingkan dengan briket arang yang menggunakan perakat molase atau tetes tebu [7]. 18

14 Komposisi kimia pati dapat dilihat pada Tabel 2.5. Tabel 2.5 Kompisisi Kimia Pati [7] Komposisi Jumlah (%) Air 8-9 Proton 0,3-1,0 Lemak 0,1-0,4 Abu 0,1-0,8 Serat Kasar