KARAKTERISASI UNJUK KERJA SISTEM DUAL FUEL GASIFIER DOWNDRAFT SERBUK KAYU DAN DIESEL ENGINE GENERATOR SET 3 KW

Transkripsi

1 KARAKTERISASI UNJUK KERJA SISTEM DUAL FUEL GASIFIER DOWNDRAFT SERBUK KAYU DAN DIESEL ENGINE GENERATOR SET 3 KW Suliono 1) dan Bambang Sudarmanta 2) 1) Program Studi Magister Rekayasa Energi, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Jl. Keputih, Sukolilo, Surabaya Sulionolee@gmail.com, 2) sudarmanta@me.its.ac.id 2) Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK Sejalan dengan pengembangan syngas biomassa sebagai bahan bakar alternatif pada motor pembakaran dalam maka dicoba untuk dilakukan penelitian mengenai aplikasi sistem dual fuel gas hasil gasifikasi biomassa serbuk kayu pada sistem downdraft dengan minyak solar pada motor diesel stasioner. Penelitiaan ini bertujuan untuk mengembangkan mesin diesel generator set menjadi sistem dual fuel yang kompac berbahan bakar syngas hasil gasifikasi serbuk kayu sistem downdraft dengan bahan bakar diesel atau solar. Pengujian dilakukan dengan putaran konstant 1500 rpm dengan pembebanan bervariasi dari 200W sampai dengan 2000W dengan interval 200W. Unjuk kerja motor bakar diamati untuk mendapatkan parameter yang terdiri dari daya poros, tekanan efektif rata-rata, pemakaian bahan bakar, pemakaian bahan bakar spesifik, perbandingan bahan bakar dan udara, Sebagai pembanding akan digunakan bahan bakar solar murni. Hasil menunjukkan bahwa dengan penambahan syngas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08% dibandingkan standar. Nilai specific fuel consumption (sfc) minyak solar saja mengalami penurunan dengan adanya penambahan syngas rata-rata hingga 50,72% dari kondisi sfc standar. Efisiensi termal mesin secara umum mengalami penurunan dengan penambahan syngas, rata-rata sebesar 12,57% dari kondisi standar single fuel, penurunan AFR rata-rata sebesar 74,53% dari AFR standar single fuel. Kata kunci: Dual Fuel, Syngas Biomassa, Unjuk Kerja Mesin Diesel. 1. Pendahuluan Gasifikasi merupakan teknologi lama yang sekarang menjadi perhatian sebagai bahan bahan alternatif untuk menggantikan bahan bakar fosil saat ini. Gasifikasi ini merupakan konversi dari biomassa padat seperti serbuk kayu, sekam padi, tongkol jagung yang diproses secara thermokimia dengan menggunakan reactor downdraft atau updraft sehingga menghasilkan gas yang memiliki sifat mudah terbakar dan bisa dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada motor pembakaran dalam. Untuk penggunaan bahan bakar gas hasil gasifikasi 100% hanya bisa diaplikasikan pada motor bensin sedangkan pada motor diesel harus dikombinasikan dengan bahan bakar solar yang diistilahkan dengan mesin diesel sistem dual fuel [1]. Mesin diesel sistem dual fuel dapat menghemat penggunaan bahan bakar solar, biaya produksi juga dapat ditekan, dan biaya modifikasi mesin relatif lebih murah dibandingkan mengkonversi ke mesin gas ( gas engine). Lebih jauh lagi, apliasi syngas dengan menggunakan sistem dual fuel pada mesin diesel dapat meningkatkan unjuk kerja mesin [2]. A-56-1

2 2. Metodologi Pengujian dilakukan pada diesel engine constant speed electrical dynamometer. Pengujian dilakukan pada mesin sebagai alat uji dengan poros utama yang telah terkopel langsung dengan electrical generator sebagai electrical dynamometer. Metode pengujian pada penelitian ini dibagi atas 2 (dua) kelompok, yaitu: kelompok kontrol, yaitu motor diesel menggunakan minyak solar dan kelompok uji, adalah motor diesel menggunakan sistem dualfuel. Mesin yang digunakan adalah mesin diesel 4 (empat) langkah dengan pembebanan yang dilakukan menggunakan beban lampu pijar sebanyak 12 buah dengan konsumsi daya masingmasing lampu sebesar 200 Watt, lampu-lampu ini disusun secara paralel dengan dilengkapi saklar pada tiap-tiap lampu untuk pengaturan beban. Bahan bakar minyak solar yang digunakan adalah minyak solar yang didapatkan dari pasaran yang diproduksi oleh Pertamina. Sedangkan syngas biomassa serbuk kayu yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai komposisi CO 14,57%, O2 12,79%, H2 5,395%, CO2 14,57%, N2 49,26% dan kandungan lainnya 0,3% dengan nilai kalor bawah sebesar 3980,3 kj/m 3 Proses pemasukan syngas dengan sistem dual-fuel menggunakan mixer sebagai tempat udara dan syngas dicampur sebelum masuk ke dalam ruang bakar, mixer dibuat dengan bentuk venturi. Mixer dipasang pada saluran masuk (intake manifold) udara. Prosedur pengujian ini dilakukan dengan variasi dari AFR dari reaktor yaitu AFR 1,01, 1,13, 1,34, dan 1,52. dengan jumlah syngas yang dimasukkan ke dalam ruang bakar secara langsung. Setiap tahap pembebanan dilakukan pengambilan data. Data yang diambil antara lain laju alir udara dan syngas, waktu konsumsi minyak solar setiap 25 ml, temperatur: mesin diesel, gas buang, minyak pelumas, cairan pendingin, arus dan tegangan. Selama pengujian berlangsung putaran mesin dijaga konstan pada 1500 rpm. Gambar 1. Skema Penelitian Sebelum dilakukan pengujian dengan sistem dual fuel maka terlebih dahulu dilakukan pengujian dengan bahan bakar minyak solar, hal ini dimaksudkan agar didapatkan data awal sebagai acuan/standar guna melihat perubahan parameter-parameter yang terjadi saat penerapan sistem dual fuel. 3. Hasil dan Pembahasan Daya ( Ne) Unit gen-set tersebut bekerja dengan menghasilkan tegangan listrik dimana putaran generator harus dijaga konstan pada 1500 rpm untuk mendapatkan tegangan listrik tetap, sementara pada saat beban listrik ditambah maka akan menyebabkan putaran generator yang diputar oleh engine akan turun. Analisa yang dapat dinyatakan adalah daya yang diperlukan A-56-2

3 akan naik dengan bertambahnya beban listrik yang diberikan sebagai kompensasi bertambahnya bahan bakar yang masuk ke ruang bakar. Bahan bakar yang bertambah banyak menyebabkan semakin banyak energi yang dapat dikonversi menjadi energi panas dan mekanik dengan udara yang cukup. Gambar 2 Daya mesin fungsi beban listrik Torsi (Mt) Gambar 3 Torsi mesin fungsi beban listrik Grafik torsi engine fungsi beban listrik ini memiliki karakteristik yang sama dengan grafik daya engine. Torsi merupakan ukuran kemampuan dari mesin untuk menghasilkan kerja. Torsi dari mesin berguna untuk mengatasi hambatan sewaktu beban diberikan ke poros engine. Sehingga dapat disimpulkan secara sederhana bahwa torsi akan semakin besar, apabila beban yang diberikan juga semakin besar. Secara umum penambahan jumlah syngas yang masuk ke ruang bakar akan membuat torsi yang dihasilkan oleh engine semakin besar, karena semakin banyak bahan bakar yang masuk ke ruang bakar yang kemudian diubah menjadi energi mekanik mengatasi beban pada poros engine. A-56-3

4 Tekanan efektif rata-rata (bmep) Gambar 4. bmep fungsi beban listrik Secara umum penambahan jumlah syngas yang masuk ke ruang bakar akan membuat bmep yang dihasilkan oleh engine semakin besar. Proses pembakaran campuran udara-bahan bakar menghasilkan tekanan yang bekerja pada piston untuk melakukan langkah kerja. Grafik bmep terlihat mempunyai kecenderungan naik seiring dengan bertambahnya beban. Pengamatan yang lebih detail menunjukkan pada beban 200 hingga 1000 Watt pada gambar 6 membentuk garis lurus linier mengikuti bentuk ideal dari grafik torsi fungsi beban listrik. Akan tetapi apabila kita tinjau pada beban 1000 hingga 2000 Watt bentuk garis-garis yang menghubungkan beberapa titik sesuai dengan variasi laju alir massa syngas membentuk hubungan yang tidak stabil dan ada perbedaan yang sedikit lebih besar dari beban di bawahnya, hal ini disebabkan adanya perbedaan nilai voltase yang dimulai dari beban 1000 Watt. Specific Fuel Consumption (SFC) Gambar 5 Sfc fungsi beban listrik A-56-4

5 Dari gambar 5, terlihat kondisi maksimum dengan nilai sfc dan persentase penggantian minyak solar paling besar dimana engine tidak mati pada saat beban listrik nol, akan tetapi pada tekanan tersebut pada saat pengujian, putaran mesin terendah yang dicapai mesin adalah 1500 rpm. Apabila diambil satu kondisi beban listrik maka akan terlihat setiap penambahan syngas akan membuat besar sfc semakin besar. Hal ini disebabkan laju alir massa syngas sangat besar dibandingkan minyak solar. Demikian pula saat penggunaan syngas dimana meskipun waktu yang diperlukan untuk konsumsi minyak solar semakin lama, akan tetapi saat setingan awal laju alir massa syngas sudah sangat besar melebihi laju alir massa minyak solar dan hal ini sangat terasa pada saat beban rendah. Efisiensi Termal Gambar 6 Efisiensi thermal fungsi beban listrik Dari gambar 6, terlihat bahwa efisiensi termal tertinggi ada pada penggunaan single fuel semakin besar laju aliran massa syngas yang direpresentasikan oleh besar tekanan syngas maka efisiensi termal juga semakin baik. Hal ini disebabkan efisiensi termal berbanding lurus dengan daya efektif yang digunakan untuk menghasilkan listrik. Efisiensi termal menurun karena jumlah energi input yang masuk ke ruang bakar sudah terlalu besar atau campuran dalam ruang bakar kaya akan bahan bakar. Dapat dilihat bahwa faktor yang membuat nilai efisiensi termal semakin turun adalah lebih disebabkan laju alir massa syngas sangat besar dan nilai ini mempengaruhi nilai sfc-nya yang menjadi sangat besar. Sehingga dibandingkan dengan sistem single-fuel dimana nilai sfc-nya jauh lebih kecil maka efisiensi termal-nya menjadi rendah seiring dengan bertambahnya laju alir massa syngas Air-Fuel Ratio (AFR) Grafik di dibawah menunjukkan perbedaan yang sangat besar antara AFR single-fuel dengan dual fuel. Hal ini disebabkan jumlah bahan bakar yang masuk dalam sistem dual fuel jauh lebih besar karena besarnya laju alir massa syngas, meskipun dengan penambahan syngas laju alir massa minyak solar berkurang. Sementara engine diesel yang digunakan adalah naturally aspirated yang otomatis dengan bertambahnya laju alir massa syngas akan mengurangi laju alir massa udara yang masuk melalui intake manifold. Bertambahnya beban listrik menyebabkan AFR berkurang disebabkan pertambahan beban listrik sejalan dengan pertambahan bahan bakar minyak solar, sementara laju alir massa udara selalu konstan untuk setiap satu kondisi variasi tekanan syngas. A-56-5

6 Gambar 7 AFR fungsi beban listrik Temperatur Gambar 8. Temperatur: gas buang, mesin, oli pelumas dan cairan pendingin A-56-6

7 Secara umum bahwa kenaikan laju alir massa syngas menaikkan temperatur gas buang, mesin, oli pelumas dan pendingin engine dan begitu juga dengan kenaikan beban listrik menyebabkan kenaikan temperatur. Karena semakin banyak bahan campuran udara-bahan bakar yang masuk ke ruang bakar maka semakin besar pula energi panas yang dihasilkan, baik yang ikut terbuang melalui gas sisa pembakaran ataupun yang diambil oleh pelumas dan cairan pendingin dan dibuang ke lingkungan sekitar Dalam grafik digambarkan bahwa adanya peningkatan temperatur gas buang, oli pelumas dan cairan pendingin terhadap kenaikan beban, yang disebabkan bertambahnya jumlah energi input ke dalam ruang bakar untuk memberikan daya engine terhadap kenaikan beban listrik. 4. Kesimpulan a) Secara umum sistem dual fuel syngas-solar, dengan penambahan syngas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08% b) Nilai specific fuel consumption (sfc) sitem dual fuel mengalami peningkatan yang cukup besar rata-rata sebesar 326,95% dari nilai specific fuel consumption (sfc) single fuel. c) Nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem dual fuel mengalami penurunan maksimal sebesar 50,72% dari nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem single fuel. d) Efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 12,57% dari efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem single fuel. e) Air fuel ratio (AFR) pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 74,53% dari Air fuel ratio (AFR) pada sistem single fuel. DAFTAR PUSTAKA Lawanaskol, S. (2006), Dual Fuel Gasifier-Engine For 10 kwe Power Generation. Rajamangala University of Techanology Thanyaburi, Pathum Thani, Sauliar, J. (2010), Desain Mekanisme Sistem Dual-Fuel dan Uji Unjuk Kerja Motor Diesel Stasioner Menggunakan Gas Hasil Gasifikasi dan Minyak Solar, Tesis Magister ITS surabaya, Praptijanto, A.B., Santoso, W. dan Putrasari, Y. (2009),Simulasi Uji Performance pada Motor Diesel Injeksi Langsung (1 Silinder) 677 CC Menggunakan Bahan Bakar Dual Fuel (Diesel-Sekam Padi), Lab. Motor Bakar Puslit Telimek, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Bandung. Sudarmanta, B. (2010), s. Mechanical Engineering Department, Faculty of Technology Industry, Sepuluh Nopember Institut of Technology Surabaya, Indonesia, Bhavanam,A. dan Sastry,R.C. (2011), Biomass Gasification Processes in Downdraft Fixed Bed Reactors: A Review, International Journal of Chemical Engineering and Applications, Vol. 2, No. 6. Raibhole,V.N. dan Phadke, A.D. (2013), Syngas Production By Updraft Biomass Gasifer And Its Parametric Analysis, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE), Second National Conference on Recent Developments in Mechanixal Engineering 56 M.E.Society's College of Engineering, Pune., hal A-56-7