ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PADA PRODUKSI BIODIESEL BERBAHAN BAKU CPO (Crude Palm oil) RISWANTI SIGALINGGING

Transkripsi

1 ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PADA PRODUKSI BIODIESEL BERBAHAN BAKU CPO (Crude Palm oil) RISWANTI SIGALINGGING SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

2 i PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Analisis Energi dan Eksergi pada Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil) adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Agustus 2008 Riswanti Sigalingging NIM

3 ii ABSTRACT RISWANTI SIGALINGGING. Energy and Exergy Analysis of Biodiesel Production from CPO (Crude Palm Oil). Under supervision of ARMANSYAH H.TAMBUNAN and SRI ENDAH AGUSTINA. Biodiesel production from renewable resources needs a certain amount of energy Input. Accordingly, the effectiveness of biodiesel production depends on the energy ratio, i.e. the ratio of energy contained in the biodiesel to the energy input during production including energy content in the feedstock. This research is aimed to evaluate energy ratio in biodiesel production. The tool used in this experiment is exergy analysis, which incorporates the fisrt and second law of thermodynamic. Materials required in the biodiesel production was evaluated in term of its energy content. The result of analysis showed that the energy ratio and the energy needed to produce per kilogram biodiesel using noncataliytic production method with modified process were 1.00 and MJ/kg, while using catalytic method were 0.98 and MJ/kg, respectively. Meanwhile, the exergy efficiency and the exergy lost by using noncataliytic production method with modified process were % and MJ, while using catalytic method were % and MJ, respectively. The research shows that noncatalytic production method with modified process is better than catalytic method in terms of energy ratio and the energy needed to produce per kilogram biodiesel. The research also shows that heat exchanger is the critical one for the performance improvement of the modified non-catalytic process. Key words: first law of thermodynamics, second law of thermodynamics, energy ratio, exergy efficiency, catalytic, noncatalytic.

4 iii RINGKASAN RISWANTI SIGALINGGING. Analisis Energi dan Eksergi pada Proses Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil). Dibimbing oleh ARMANSYAH H. TAMBUNAN dan SRI ENDAH AGUSTINA. Biodiesel merupakan sumber energi terbarukan yang berasal dari bahan baku nabati, seperti CPO. Biodiesel dapat diproduksi dengan dua cara, yaitu dengan menggunakan katalis (katalitik) dan tanpa katalis (non-katalitik). Untuk mengkonversi CPO menjadi biodiesel dibutuhkan sejumlah energi. Oleh karena itu, analisis rasio energi dan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel perlu dilakukan, sehingga dapat diketahui cara produksi mana yang terbaik. Dalam penelitian ini dilakukan analisis eksergi sebagai alat untuk mengetahui besarnya energi yang tidak termanfaatkan (eksergi yang hilang) setiap proses. Analisis ini merupakan aplikasi dari hukum termodinamika pertama dan hukum termodinamika kedua, sehingga disain sistem proses dapat diperbaiki guna pengembangan teknologi proses produksi biodiesel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rasio energi dan energi yang dibutuhkan per kilogram biodiesel, pada proses produksi biodiesel non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah masing-masing sebesar 1,00 dan 39,63 MJ/kg, sedangkan proses katalitik masing-masing adalah sebesar 0,98 dan 41,05 MJ/kg. Sementara itu, efisiensi eksergi dan eksergi yang hilang pada proses produksi biodiesel non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah sebesar 94,43 % dan 3665,08 MJ, sedangkan pada proses produksi biodiesel secara katalitik adalah 98,23 % dan 1175,75 MJ. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa proses produksi non-katalitik dengan sistem proses yang sudah dimodifikasi adalah lebih baik dalam hal rasio energi dan energi yang dibutuhkan untuk memproduksi per kilogram biodiesel. Akan tetapi, efisiensi eksergi perlu ditingkatkan dengan melakukan penelitian lebih lanjut khususnya di reaktor dan APK-2, sehingga eksergi yang hilang ke lingkungan dapat diminimalisasi. Keywords : hukum termodinamika pertama, hukum termodinamika kedua, rasio energi, efisiensi eksergi, katalitik, non-katalitik.

5 iv Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2008 Hak cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber. a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah. b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa ijin IPB

6 v ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PADA PRODUKSI BIODIESEL BERBAHAN BAKU CPO (Crude Palm oil) RISWANTI SIGALINGGING Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008

7 vi Judul Tesis Nama NRP : Analisis Energi dan Eksergi pada Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (Crude Palm oil) : Riswanti Sigalingging : F Disetujui, Komisi Pembimbing Prof. Dr. Armansyah H. Tambunan Ketua Ir.Sri Endah Agustina, MS Anggota Diketahui, Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Prof. Dr. Armansyah H. Tambunan Prof. Dr. Ir. Khairil Anwar Notodiputro, M.S Tanggal Ujian : 19 Agustus 2008 Tanggal Ujian:

8 vii KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan YME yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan penulisan tesis yang berjudul Analisis Energi dan Eksergi pada Proses Produksi Biodiesel Berbahan Baku CPO (crude palm oil). Penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr sebagai pembimbing pertama dan Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian (Koordinator Mayor), yang telah memberi nasehat dan bimbingan selama ini. 2. Ir. Sri Endah Agustina, M.S sebagai pembimbing kedua, yang telah memberi nasehat dan bimbingan selama ini. 3. Department of Global Agricultural Sciences The University of Tokyo, Jepang yang telah memberikan alat proses produksi biodiesel non-katalitik. 4. BPPT dan seluruh karyawan BPPT khususnya Pak Sonni Sulistiawan, mbak Rani, Adi, Luthfi dan mbak novi, yang bersedia memberikan informasi data proses produksi biodiesel katalitik. 5. Tamaria Panggabean, Farry Aprilliano, Lilik Tri Mulyantara, Diswandi Nurba, Deni Hendarto, I Putu Surya, Susanto Budi, dan Warji yang merupakan teman-teman satu angkatan penulis di Program Magister IPB. 6. Firman, Darma dan Pak Harto yang telah membantu dalam pengambilan data. 7. Pihak-pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu atas peranannya sehingga penelitian ini dapat terlaksana dengan baik. Semoga Tuhan YME memberikan balasan dan manfaat atas segala bantuan moril materil, nasehat dan ilmu yang diberikan. Penulis menyadari bahwa isi dari tesis ini sangat jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik sangat penulis harapkan agar lebih menambah khazanah pengetahuan penulis. Akhirnya penulis berharap semoga penelitian ini dapat bermanfaat. Amin. Bogor, Agustus 2008 Riswanti Sigalingging

9 viii RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Rawang Lama Kisaran pada tanggal 07 Mei 1980 dari ayah R. Sigalingging dan Ibu R. Marbun. Penulis merupakan putri kedua dari lima bersaudara. Penulis telah menyelesaikan pendidikan program sarjana (S1) pada tahun 2003 di Program Studi Teknik Pertanian, Jurusan Teknologi Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara. Pada tahun 2006 penulis diterima di Sekolah Pascasarjana Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penulis saat ini sebagai tenaga pengajar di Prosus INTEN (Institut Teladan), Jakarta.

10 ix DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xv DAFTAR SIMBOL... xvi I. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 4 II. TINJAUAN PUSTAKA Proses Produksi Biodiesel Konsep Energi dan Eksergi III. METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Prosedur Penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Non-katalitik Analisis Energi Proses Produksi Biodiesel Secara Katalitik Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel Secara Non-katalitik Analisis Eksergi Proses Produksi Biodiesel Secara Katalitik V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran... 77

11 x DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 82

12 xi DAFTAR TABEL Halaman 1 Perkiraan kebutuhan bahan bakar minyak (dalam juta liter) Target Pemanfaatan bahan bakar bio (dalam juta kilo liter) Kelebihan dan kelemahan proses produksi biodiesel katalitik dan nonkatalitik Titik didih tiap komponen bahan Titik didih normal fatty acid dan FAME Keseimbangan massa produksi biodiesel secara non-katalitik skala laboratorium Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi non-katalitik skala laboratorium Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara nonkatalitik skala 1 ton Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel nonkatalitik skala 1 ton/jam Energi listrik yang dibutuhkan pompa untuk mengalirkan minyak dan metanol Efektivitas APK pada proses produksi biodiesel skala scale-up Energi panas total yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel baik dengan skala laboratorium, scale-up maupun sistem yang sudah dimodifikasi Keseimbangan massa pada proses produksi biodiesel secara katalitik Energi panas yang dibutuhkan pada proses produksi biodiesel secara katalitik Energi listrik yang dibutuhkan pompa dan elektromotor pada produksi biodiesel katalitik Kandungan energi bahan umpan dan produk pada proses produksi biodiesel secara non-katalitik dan katalitik... 33

13 xii 17 Energi input dan output per kilogram produksi biodiesel Rasio energi proses produksi biodiesel secara non-katalitik dan katalitik Ringkasan hasil analisis energi proses produksi biodiesel non-katalitik dan proses produksi katalitik Fluida yang mengalir tiap-tiap alat penukar kalor (APK) Eksergi fluida yang mengalir tiap-tiap alat penukar kalor (APK) Eksergi input, output, dan eksergi yang hilang serta efisiensi eksergi Data massa dan suhu fluida input dan output di reaktor Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada reaktor Data massa dan suhu fluida input dan output di MMT Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun MMT Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil Data massa dan suhu fluida input dan output di reaktor Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada reaktor Data massa dan suhu fluida input dan output di WT Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun WT Data massa dan suhu fluida input dan output di VDT Efisiensi eksergi yang tertinggi dengan pemberian energi panas pada heater terkecil Efisiensi eksergi dengan peningkatan pemberian energi panas pada stasiun WT... 73

14 xiii 38 Eksergi kimia bahan baku proses non-katalitik pada suhu 300 K dan tekanan 1 atm Eksergi kimia bahan baku proses katalitik pada suhu 300 K dan tekanan 1 atm Eksergi dan efisiensi total proses produksi biodiesel non-katalitik Eksergi dan efisiensi total proses produksi biodiesel katalitik Ringkasan hasil analisis eksergi proses produksi biodiesel non-katalitik dan proses produksi katalitik... 76

15 xiv DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Persamaan reaksi transesterifikasi Persamaan reaksi esterifikasi Persamaan reaksi saponifikasi/pembentukan sabun Persamaan reaksi proses pembentukan NaOH Alur pelaksanaan penelitian proses produksi biodiesel katalitik dan non-katalitik Langkah-langkah proses analisis eksergi Diagram alir pada proses non-katalitik skala laboratorium Diagram alir proses produksi biodiesel secara non-katalitik termodifikasi Aliran keseimbangan massa pada proses produksi katalitik Diagram aliran fluida dalam APK Diagram aliran fluida dalam reaktor Diagram aliran fluida dalam MMT Diagram aliran fluida dalam reaktor Diagram aliran fluida dalam WT Diagram aliran fluida dalam VDT... 68

16 xv DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Tabel struktur kimia asam lemak (fatty acids) dan perhitungan berat molekul Tabel Berat molekul Gambar production plant dan diagram alir proses non-katalitik Prosedur kerja proses produksi non-katalitik Gambar production plant proses produksi biodiesel katalitik Gambar keseimbangan massa produksi biodiesel proses katalitik Prosedur kerja proses produksi biodiesel katalitik Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik Keseimbangan massa proses produksi biodiesel katalitik Berat molekul, massa jenis dan panas jenis sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi Panas penguapan dan pembentukan sebagai data-data pendukung dalam perhitungan analisis energi dan eksergi Perhitungan pindah panas dalam BCR proses produksi non-katalitik... 96

17 xvi DAFTAR SIMBOL Satuan C p Panas jenis (kj/kg o C) e ch Standar eksergi kimia (kj/mol) e ph Standar eksergi fisika (kj/mol) E Energi total (kj) E c Energi content (kj/kg) E out Energi output (kj) E in Energi input (kj) E proses Energi panas dan energi listrik (kj) E panas Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dan perubahan fase bahan umpan dan produk (kj) E listrik Energi yang dibutuhkan pompa dan elektromotor (kj) E MeOH Kandungan energi metanol yang habis bereaksi dengan TG (kj) E Oil Kandungan energi CPO (kj) E FAME Kandungan energi biodiesel (kj) Ė ch Eksergi kimia (kj) Ė k Eksergi kinetik (kj) Ė p Eksergi potensial (kj) Ė ph Eksergi fisika (kj) Ė D Eksergi destructioan (kj) g F Gibbs free energi (kj/mol) h fg Panas laten penguapan (kj/kg) H Entalpi (kj) m Laju massa (kg/s) N Fraksi molar (mol) P Daya listrik (watt) P i Tekanan (Pa) Q Energi panas atau listrik (kj/kg)

18 xvii R Tetapan gas (kj/kmol K) R E Rasio energi (-) s Entropi (kj/k) S gen Entropi generasi (pembentukan) (kj/k) T Suhu proses ( o C) T o Suhu ambient ( o C) U Energi dalam (kj) ν Kecepatan aliran (m/s) V Volume (m 3 ) w massa bahan yang berubah fase (kg) W Kerja (kj) y Jumlah mol (mol) η x Efisiensi eksergi (%)