GASIFIKASI BIOMASSA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK DAN PEMANFAATAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI

Transkripsi

1 GASIFIKASI BIOMASSA UNUK PEMBANGKI LISRIK DAN PEMANFAAAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI YOGI SIRODZ GAOS SEKOLAH PASCASARJANA INSIU PERANIAN BOGOR 0 0 8

2 PERNYAAAN MENGENAI DISERASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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 disertasi ini. Bogor, Juli 008 Yogi Sirodz Gaos NIM F60007

3 ABSRAC YOGI SIRODZ GAOS. Biomass Gasificasion for Electric Generation and Waste Exhaust Gas Utilization for Adsorption System. Under direction of ARMANSYAH H. AMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULAH, and PRAWOO he emergence of energy crisis recently has attracted the utilitation of alternative energy, especially the renewable one. Biomass, as one of the renewable energy resources, attract more attention due to its enamourus quantity i.e billion ton per year. he object of this research was to study the optimal use of the biomass by designing a gasification system to produce electricity and a heat exchanger to utilize the waste heat from the exhaust gas of the engine as energy source for adsoption refrigeration. Optimum dimension of the gasifier was studied by using numerical analysis in order to have the optimal temperature distribution within the gasifier and optimum combustile gases. he heat exchanger design was simulated using polynomial equation and Kern method. he performance of the heat echanger and adsorption refrigeration was studied by using energy and exergy analysis. he dimension of the gasifier was 600 mm in reactor s diameter, 0 mm in throat diameter, and 800 mm height. Performance test of imbert downdraft gasifier which was equiped with ash filter such as separator, gas cooler, acummulator, and cyclone was conducted using three kind of feeding chips, i.e: borneo wood, tamarind wood, and leucena wood. he best combustible gas was produced from 40 kg borneo wood, which contain 55.90% CO,.4% CH 4, 0.9% C H 6 and 0,08% C 3 H 8, 4.90% CO, and the maximum temperture in oxidation zone was 4 o C. It had 56.4 MJ of combustion energy with rates 5.98 kw. Dual fuel between high speed diesel oil and borneo chip wood with the fraction 60:40 had been implemented to diesel engine as a prime mover and could generate 8 kw electric power. he best performance result was at a nominal load of 6 kw with specific fuel consumption 0.3 l/kwh diesel oil and.98 kg/kwh wood. he dimension of heat exchanger were 0 mm diameter, 00 mm total length, 50 pcs tubes in 75 passes with thermal conductivity 385 W/m K. Heat transfer energy of the heat exchanger was 0.83 kw, water outlet 85 o C, water mass flowrate 3.4 kg/min, the highest temperature in desorption generator 79 o C, and silica gel batch 65 o C. hese were good condition for adsorption proccess of methanol in generator which continued by the condensation proccess. It took 45 minutes for 500 ml methanol 98%. Exergy efficiency of the heat exchanger which operated in 0 minutes was.54%, meanwhile the exergy efficiency of desorption generator operated in 35 minutes was 4.04% and coefficient of performance of the adsorpsion system was 0.4. Key words: downdraft gasifier, combustible gas, heat exchanger, adsorpsion, energy, and exergy efficiency.

4 RINGKASAN YOGI SIRODZ GAOS. Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi. Dibawah bimbingan ARMANSYAH H. AMBUNAN, KAMARUDDIN ABDULLAH, dan PRAWOO Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Salah satu cara mengatasi krisis energi adalah dengan menggunakan energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah biomassa, karena jumlahnya yang cukup melimpah, yaitu sebesar 6.99 juta ton. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun suatu sistem yang dapat memanfaatkan biomassa menjadi energi listrik dan sumber panas bagi sistem pendingin adsorpsi. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah perhitungan numerik untuk menghasilkan dimensi gasifier yang optimal, analisa gas mampu bakar tiga jenis umpan kayu, dan pendugaan distribusi suhu di gasfier. Rancangan alat penukar kalor menggunakan metode optimasi dengan persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern untuk mencari dimensi luas permukaan sentuh dan kinerjanya. Analisa pada mesin pendingin adsorpsi meliputi energi total yang dilepas air, energi panas yang diserap untuk proses desorpsi, persentase bobot energi pada proses desorpsi, dan eksergi generator desorpsi. Secara garis besar, sistem ini terdiri dari 3 komponen utama, yaitu: gasifier, alat penukar kalor, dan pedingin adsoprsi. Gasifier adalah reaktor yang berfungsi untuk menghasilkan gas mampu bakar. Dalam penelitian ini digunakan motor diesel berbahan bakar ganda dual fuel dengan fraksi 40 % gas mampu bakar dari umpan kayu dan 60 % solar. Alat penukar kalor dengan sumber panas gas buang digunakan untuk memanaskan air yang akan dimanfaatkan untuk proses pendinginan desorpsi. Pendingin desorpsi digunakan untuk pendinginan hasil pertanian. Gasifier yang digunakan pada penelitian ini memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 0 mm, dan tinggi reaktor 800 mm. Alur kerja di gasifier adalah, pertama pengeringan umpan kayu yang diikuti dengan pembakaran umpan kayu untuk menghasilkan gas mampu bakar. Gas mampu bakar digunakan untuk mengkonversi panas menjadi energi gerak pada generator, sehingga menghasilkan listrik. Sedangkan gas buang yang merupakan hasil samping gas mampu bakar dialirkan ke alat penukar kalor untuk memanaskan air. Umpan kayu yang digunakan terdiri dari tiga jenis, yaitu kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem. Ukuran ketiga kayu ini seragam, yaitu berbentuk kubus dengan dimensi 30x30x30 mm. Kayu borneo merupakan umpan kayu yang memiliki kinerja terbaik, mempunyai nilai kalor sebesar kj/kg. Sedangkan kayu asem dan kayu lamtorogung memiliki nilai kalor berturut-turut 74.9 kj/kg dan kj/kg. Gasifier ini mampu membangkitkan mesin pembangkit tenaga sebesar 8 kw dan pola operasi empat jam tanpa penambahan umpan kayu.

5 Sistematika aliran fluida pada alat penukar kalor, yaitu air mengalir secara paksa melalui pipa dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir melalui cangkang dari bawah ke atas menggunakan prinsip perbedaan tekanan. Optimasi luas permukaan sentuh alat penukar panas menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern, dengan menggunakan beberapa asumsi berikut: pipa lurus dengan permukaan dalam dan luar yang halus, aliran air dan aliran gas buang lancar, 3 air dan gas buang pada kondisi di atas tekanan atmosfir, 4 penurunan tekanan akibat perubahan bentuk alat penukar kalor diabaikan, 5 pindah panas radiasi dari gas diabaikan, 6 pindah panas dari cangkang ke lingkungan diabaikan. Optimasi ini bertujuan untuk menghasilkan suhu air di mesin desorpsi sebesar 85 o C dengan batasan desain sebagai berikut: energi air panas sebesar kw, laju masa air sebesar kg/s, 3 laju aliran gas kg/s. Konstruksi alat penukar kalor yang dihasilkan sebagai berikut: diamater luar pipa 0 mm, tebal mm, panjang 00 mm, jumlah pipa 50 batang, 75 laluan, konduktivitas panas material pipa sebesar 385 W/m.K. Hasil pengujian menunjukkan adanya perbedaan laju massa gas buang hasil uji dengan rancangan. Laju massa gas buang hasil uji sebesar kg/s, hal ini disebabkan oleh pemakaian bahan bakar per jam kurang dari l/h dan rasio udara bahan bakar kurang dari Perbandingan kinerja alat penukar kalor berdasarkan data hasil uji dan data rancangan/simulasi masing-masing sebagai berikut: U 8.44 W/m.K; 6.49 W/m.K, Δ LMD 7. o C; o C, efektivitas.87%;.49%, NU.89%;.5%, panas yang dilepaskan fluida panas.0 kw; 0.84 kw, panas yang diterima fluida dingin 0.98 kw; 0.83 kw, panas yang dipindahkan.0 kw; 0.83 kw, efisiensi eksergi.54%; 4.07%. Perbedaan ini disebabkan karena sistem tidak terisolasi dengan baik dan laju masa gas buang hasil uji kg/s lebih kecil daripada data rancangan/simulasi. Generator desoprsi adalah salah satu komponen mesin pendingin adsorpsi yang berfungsi sebagai kompresor pada mesin pendingin konvensional. Di generator desorpsi terjadi proses pelepasan metanol dari pori-pori silikagel desorpsi. Proses ini membutuhkan energi panas yang didapat dari air panas yang dialirkan alat penukar kalor. otal energi panas yang dilepas air selama 35 menit berturut-turut sebesar kj, kj, dan kj. Proses desorpsi hanya menyerap energi panas 0-0% dari total energi panas yang dilepas oleh air panas selama 35 menit. Energi panas dari air digunakan untuk memanaskan generator, memanaskan silikagel, dan menguapkan metanol sehingga lepas dari pori-pori silikagel. Persentase alokasi energi panas sebagai berikut: 47.4% digunakan untuk memanaskan generator, 8.36% digunakan untuk memanaskan silikagel, dan 44.% digunakan untuk memanaskan dan menguapkan metanol. Salah satu kinerja generator desorpsi pada penelitian ini adalah efisiensi eksergi. Berdasarkan ketiga data hasil uji, efisiensi eksergi berturut-turut sebagai berikut 3.0%, 3.70%, dan 4.04%. Efisiensi eksergi data hasil uji 30 Agustus 007 paling besar, karena ketersediaan eksergi tertinggi sebesar kj dengan laju aliran air yang sama sebesar kg/s, sedangkan nilai kehilangan eksergi paling kecil sebesar kj. Hasil penelitian gasifikasi biomassa dari rangkaian gasifier, mesin penggerak generator, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi, maka kinerja optimal diperoleh dengan menggunakan umpan kayu borneo, sehingga

6 mampu mengkonversi energi termal dari campuran gas mampu bakar dengan bahan bakar solar dengan fraksi 40:60 menjadi energi listrik pada beban nominal sebesar 6 kw, efisiensi termal mesin pembangkit tenaga 5.0%, energi gas buang 6.85 kw, pemanfaatan energi gas buang melalui alat penukar kalor 0.83 kw, koefisien pindah panas menyeluruh 6.49 W/m K, efisiensi eksergi alat penukar kalor tertinggi 9.36%, energi yang digunakan untuk proses desorpsi menguapkan metanol dari silikagel sebesar kj, dan efisiensi eksergi generator desorpsi 4.04% dengan COP mesin pendingin adsorpsi 0.4 Berdasarkan penjelasan di atas, gasifikasi biomassa ini masih dapat ditingkatkan kinerjanya. Peningkatan kinerja mesin ini dapat dilakukan dengan mengisolasi sistem pada gasifier, alat penukar panas, dan generator desorpsi. Kedua, dengan menjaga pembakaran umpan kayu terjadi terus menerus selama 4 jam sehingga ketersediaan energi panas dari gas buang stabil. Kata kunci: Gasifier unggun tetap, gas mampu bakar, alat penukar kalor, adsorpsi, energi, eksergi, efisiensi.

7 Hak cipta milik IPB, tahun 008 Hak cipta dilindungi. Dilarang mengutip sebagian atau seluruhnya karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber: a. Penyuntingan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

8 GASIFIKASI BIOMASSA UNUK PEMBANGKI LISRIK DAN PEMANFAAAN GAS BUANG SEBAGAI PEMASOK PANAS BAGI PENDINGIN ADSORPSI YOGI SIRODZ GAOS Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSIU PERANIAN BOGOR 0 0 8

9 Ujian ertutup Mei 008 Penguji Luar Komisi : Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS Ujian erbuka 6 Juni 008 Penguji Luar Komisi :. Prof. Dr. Ir. Aryadi Suwono.. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si.

10 Judul Disertasi : Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi Nama : YOGI SIRODZ GAOS NIM : F60007 Disetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr. Ir. Armansyah H. ambunan Ketua Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA Anggota Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Prof. Dr. Ir. Armansyah H. ambunan Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S. anggal Ujian: 6 Juni 008 anggal Lulus:

11 PRAKAA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SW atas segala rahmat- Nya sehingga disertasi ini dapat diselesaikan. ema yang dipilih dalam penelitian yang berlokasi di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian IPB, dengan judul Gasifikasi Biomassa untuk Pembangkit Listrik dan Pemanfaatan Gas Buang sebagai Pemasok Panas bagi Pendingin Adsorpsi. erima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah H. ambunan, MSc. selaku ketua komisi pembimbing, Bapak Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA, dan Bapak Prof. Dr. Ir. Prawoto, MSAE., selaku anggota komisi yang telah banyak memberi saran dan bimbingan. Penulis juga menyampaikan penghargaan kepada:. Direktorat Jendral Pendidikan inggi Departemen Pendidikan Nasional yang telah memberikan bantuan berupa biaya pendidikan dan penelitian melalui program BPPS ahun 00.. erima kasih kepada program HPP Pembina, Ketua, dan Pengawas Yayasan Pendidikan Islam Ibn Khaldun Bogor 4. Rektor Universitas Ibn Khaldun Bogor 5. Dekan Fakultas eknik Universitas Ibn Khaldun Bogor 6. Ketua Jurusan eknik Mesin Fakultas eknik Universitas Ibn Khaldun Bogor 7. Sri Suwartati, Galih Arya Nugraha, Anggia Angraini dan Irvan Wiradinata yang selalu memberikan dorongan dalam penyelesaian studi. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi masyarakat dan iptek. Bogor, Juni 008 Yogi Sirodz Gaos

12 RIWAYA HIDUP Penulis dilahirkan di Garut pada tanggal 4 Nopember 95 sebagai anak kedua dari pasangan M. Gaos dan Imas Marfuah. Pendidikan sarjana ditempuh di Jurusan eknik Mesin, Fakultas eknologi Industri, Insititut eknologi Bandung, lulus pada tahun 980. Kesempatan untuk menempuh pendidikan Pascasarjana diperoleh pada tahun 999 yakni di Program Studi eknik Mesin Fakultas eknik Universitas Indonesia dan menyelesaikannya pada tahun 00. Pada tahun yang sama 00 penulis meneruskan studi ke program doktor di Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Beasiswa pendidikan pascasarjana BPPS 00 diperoleh dari Departemen Pendidikan Nasional Republik Indonesia. Selama mengikuti Program doktor S-3, penulis telah menghasilkan karya ilmiah yang berjudul Performance est of Small Diesel Generator by Using Downdraft Gasification telah disajikan pada Seminar Internasional di Institut Pertanian Bogor pada tanggal Agustus 004. Artikel ilmiah yang relevan dengan bagian disertasi dengan judul Exergy Analysis on the Utilization of Exhaust Gas to Generate an Adsorption Cooling System telah disajikan pada Seminar Internasional World Renewable Energy Conference di Jakarta pada tanggal - April 005. Artikel ilmiah yang merupakan bagian dari disertasi ini, telah ditulis dan diterbitkan Jurnal Keteknikan Pertanian Vol., No., edisi Juni 007 dengan judul Analisis Energi dan Sebaran Suhu pada Gasifier Unggun etap.

13 DAFAR ISI Halaman DAFAR ABEL... xiv DAFAR GAMBAR... xv DAFAR LAMPIRAN... xvii DAFAR ISILAH... xix PENDAHULUAN Latar Belakang... ujuan Penelitian... 6 Manfaat Penelitian... 7 Ruang Lingkup Penelitian... 7 KINERJA GASIFIER UNGGUN EAP ALIRAN KEBAWAH Pendahuluan... 9 Bahan dan Metoda... 6 Hasil dan Pembahasan... 9 Simpulan ALA PENUKAR KALOR UNUK PEMANFAAAN GAS BUANG Pendahuluan Bahan dan Metoda Hasil dan Pembahasan... 5 Simpulan MESIN PENDINGIN ADSORPSI Pendahuluan Bahan dan Metoda Hasil dan Pembahasan Simpulan PEMBAHASAN UMUM SIMPULAN DAN SARAN DAFAR PUSAKA... 07

14 xiv DAFAR ABEL Halaman. Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat [00] Sasaran pengembangan energi baru terbarukan Parameter teknis dan operasional dari beberapa jenis gasifier.... Karakteristik tipikal umpan reaktor yang digunakan untuk tujuan pembangkitan energi....3 Persyaratan bahan bakar untuk gasifier fixed reaktor Hasil analisis proksimat dan ultimat kayu borneo, asem, dan lamtorogung Data analisis gas mampu bakar hasil gasifikasi Ketersediaan energi dan konsumsi bahan bakar Keseimbangan termal pada gasifier Nilai perhitungan entropi dan entalpi gas buang Data gas buang gasifikasi sebagai pembanding Dimensi alat penukar kalor Perbandingan karakteristik fluida Perbandingan kinerja alat penukar kalor Data perhitungan eksergi berdasarkan data simulasi Data perhitungan eksergi berdasarkan data rata-rata uji coba Perhitungan kebutuhan energi berdasarkan pendekatan kimia Data suhu hasil uji generator, metanol, fraksi air, dan silikagel Data suhu hasil uji masa air panas, generator, dan metanol selama 35 menit Perhitungan kebutuhan energi desorpsi Data laju desorpsi antara metanol-silikagel Data perhitungan eksergi berdasarkan data hasil uji Data perubahan suhu air, silikagel, dan generator Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh... 94

15 xv DAFAR GAMBAR Halaman. Skenario kebutuhan energi di Indonesia Potensi biomassa di Indonesia Sumber : Dephut Perubahan senyawa kimia pembakaran celulosa, Prasad, Hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu Skema zona gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah Skema kesetimbangan energi termal di gasifier Proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara Kayu Lamtorogung Leucena wood Kayu Borneo Borneo wood Kayu asem amarind wood Pola suhu terhadap waktu pengujian a kayu borneo, b kayu asem, dan c kayu lamtorogung Pola distribusi suhu hasil uji dan simulasi Profil suhu pada zona oksidasi Profil suhu pada zona reduksi Profil suhu pada zona pirolisis Model fisik alat penukar panas aliran silang tidak campur Skema perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor Alur proses pindah panas di alat penukar kalor Diagram alir perhitungan eksergi hilang di alat penukar panas Hubungan perubahan suhu terhadap kinerja APK, data Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data Instalasi mesin pendingin adsorpsi Diagram P--X Model fisik generator desorpsi Perbandingan energi dibutuhkan selama proses desorpsi Persentase energi diserap metanol-silikagel metode terhadap air Persentase energi diserap metanol-silikagel metode terhadap air... 84

16 4.7 Energi panas yang diterima metanol, data Energi panas yang diterima metanol, data Energi panas yang diterima metanol, data Energi panas yang diterima fraksi air, data Energi panas yang diterima fraksi air, data Energi panas yang diterima fraksi air, data Grafik konsentrasi metanol terhadap silikagel Perubahan efisiensi eksergi terhadap waktu Skema gasifikasi biomassa dengan umpan kayu untuk pembangkit listrik dan pendingin adsorpsi Bobot pengunaan energi pada proses desorpsi... 0 xvi

17 xvii DAFAR LAMPIRAN Halaman. Simulasi zona oksidasi gasifier downdraft dengan umpan kayu.... Simulasi zona reduksi gasifier downdraft dengan umpan kayu Penyelesaian secara numerik koefisien perpindahan panas dalam gasifier 3 4. Menetukan parameter matriks sifat fisik dan termodinamik gasifier Perhitungan koefisien pindah panas Menetukan parameter sifat fisik dan termodinamik gasifier unggun tetap 6 7. Model fisik APK exchanger gas buang Perhitungan performansi APK gas buang Perhitungan pressure drop Perhitungan parameter kinerja APK gas buang... 0 Simulasi dengan persamaan polynomial pada APK gas buang... Optimasi pemilihan diameter pipa... 3 Data pengujian APK gas buang Sifat termodinamik bahan bakar Perhitungan efisiensi eksergi APK data simulasi Perhitungan energi dan efisiensi termal Sifat termodinamik gas buang Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi data Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi data Perhitungan energi yang dibutuhkan metanol, silikagel dan generator selama desorpsi data Perhitungan efisiensi eksergi APK data hasil uji Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu data Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu data Perhitungan eksergi berdasarkan data Cp dan suhu data Perhitungan koefisien pindah panas generator, kondensor, evaporator Biaya pembuatan gasifikasi Biomassa Perhitungan arus kas Perhitungan biaya bunga... 46

18 xviii 9 Perhitungan EA dan proceeds Perhitungan WACC Perhitungan NPV Perhitungan IRR Perhitungan PP Perhitungan cavital budgetting decision Perhitungan tekno ekonomi Digram alir perhitungan performansi APK data simulasi Digram alir perhitungan performansi APK data hasil uji Gambar potongan gasifier Photo Dokumentasi Penelitian... 6

19 xix DAFAR ISILAH A = variable, fungsi dari suhu adsorbent Ac = luas penampang pipa, m Ao = luas permukaan sentuh pipa, m A r = luas penampang, m As = luas penampang aliran cangkang, m B = jarak antara baffle B = variable, fungsi dari suhu adsorbent C = jarak antara permukaan luar pipa, m c p cp, cold c p,m cp g cp sg c v,m D D c De di do d p d p d p Ds E hot E w,in E w,out E w,w, in E w,w, out E w,in E w,out Ex C,in Ex C,out Ex H,in Ex H,out = panas jenis gas, Kj/kg.K = panas jenis fluida dingin, J/kg. K = panas spesifik metanol pada tekanan konstan, J/kg.K = panas jenis generator, J/kg.K = panas jenis silikagel, J/kg K = panas spesifik cairan metanol pada volume konstan, J/kg.K = diameter gasifier, mm = diameter cyclone, m = diameter equivalent cangkang, m = diameter dalam pipa, m = diameter luar pipa, m = diameter partikel, micron = diameter takikan, m = diameter takikan, m = diameter cangkang, m = eksergi tersedia pada sisi air panas, J = energi air di inlet selubung dalam generator, J = energi air di oulet selubung dalam generator, J = eksergi tersedia air panas di sisi inlet generator desorpsi = eksergi air panas di sisi outlet generator desorpsi = energi air di inlet selubung luar generator, J = energi air di oulet selubung luar generator, J = eksergi fluida dingin di sisi inlet, W = eksergi fluida dingin di sisi outlet, W = eksergi tersedia fluida panas di sisi inlet, W = eksergi hilang fluida panas di sisi outlet, W

20 xx Ex, loss = eksergi hilang, W Ex c = eksergi diserap oleh fluida dingin, W f = gesekan fluida di sisi pipa g = percepatan gravitasi, m/s h = lebar gasifier, m h C,in = entalpi fluida dingin di sisi inlet, J/kg h C,out = entalpi fluida dingin di sisi outlet, J/kg h H,in = entalpi fluida panas di sisi inlet, J/kg h H,out = entalpi fluida panas di sisi outlet, J/kg h = entalpi gas mampu bakar masuk, kj/kg h = entalpi udara masuk, kj/kg h 3 = entalpi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kj/kg Ha = panas laten adsorpsi, J/K ha = panas laten jenis adsorpsi, J/kg.K Hd = panas laten desorpsi, J/K hd = panas laten jenis desorpsi, J/kg.K H f = tinggi gasifier, m hi = koefisien perpindahan panas fluida di sisi pipa, W/m.K H ig = nilai kalor campuran gas dengan udara, kj/m 3 H mf = tinggi minimum gasifier, m ho = koefisien perpindahan panas di sisi luar pipa, W/m.K ho = entalpi lingkungan, J/s.kg h w,in = entalpi air panas di sisi inlet selubung dalam generator desorpsi, J/kg h w,in = entalpi air di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg h w,out = entalpi air di sisi outlet selubung dalam generator, J/kg h w,out = entalpi air panas di sisi outlet selubung dalam generator desorpsi, J/kg h w,in = entalpi air di sisi inlet selubung luar generator, J/kg h w,in = entalpi air panas di sisi inlet selubung luar generator desorpsi, J/kg h w,out = entalpi air di sisi outlet selubung luar generator, J/kg h w,out = entalpi air panas di sisi outlet selubung luar generator desorpsi, J/kg kt = koefisien konduksi bahan pipa, W/m.K L = panjang gasifier, m L = panjang per pipa, m m = jumlah mol, mol m = jumlah mol per jam dari masing-masing gas N dan O, kg mol

21 xxi m m m 3 m c m g m h, in m h, out = laju aliran gas mampu bakar masuk, kg/s = laju aliran udara masuk, kg/s = laju aliran campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kg/s = laju masa fluida dingin, kg/s = masa generator, kg = laju masa fluida panas di sisi inlet, kg/s = laju masa fluida panas di sisi outlet, kg/s ms = laju masa fluida di sisi cangkang, kg/s m sg = massa adsorben silika gel, kg. m w,in = masa air keluar dari selubung dalam generator, kg m w,in = masa air masuk ke selubung dalam generator, kg m w,in = masa air keluar dari selubung luar generator, kg m w,in = masa air masuk ke selubung luar generator, kg Nt = jumlah pipa, pcs NU = number transfer unit alat penukar kalor Nut = number transfer unit di sisi pipa P = daya keluaran yang diukur pada terminal generator, kj/h P = tekanan dari adsorben silica gel/generator, Pa PR = rasio antara pipa Prs = prandtl number di sisi cangkang Pt = jarak antara dua titik pusat pipa yang berdekatan, m Q = kemampuan pindah panas alat penukar kalor, W Q = panas sensibel yang diperlukan oleh silikagel selama proses desorpsi, J Q = panas sensibel yang diperlukan generator selama proses desorpsi, J Q 3 = panas sensibel yang dibutuhkan metanol untuk meningkatkan suhu awal menjadi suhu penguapan selama proses desorpsi,j Q cold = kalor yang diterima di sisi fluida dingin, W Q des = Energi yang dibutuhkan metanol, silika gel dan genertor selama proses desorpsi, J Q g = panas sensibel generator, J Q hot = panas yang dilepas oleh fluida panas, W Q m = panas sensibel metanol, J Q sg = panas sensibel silikagel, J R = jari-jari gasifier, m R = tetapan gas untuk uap metanol R 98K = energi reaksi pada suhu stándar yang terjadi di dalam ruang bakar, kj/h Res = bilangan renold di sisi cangkang

22 Ret = reynold number di sisi pipa s C,in = entropi fluida dingin di sisi inlet, J/kg.K s C,out = entropi fluida dingin di sisi outlet, J/kg.K s H,in = entropi fluida panas di sisi inlet, J/kg.K s H,out = entropi fluida panas di sisi outlet, J/kg.K s = entropi gas mampu bakar masuk, kj/kg.k s = entropi udara masuk, kj/kg.k s 3 = entropi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kj/kg.k S c = laju volume energi panas hasil dari reaksi pembakaran, W/m 3 S c = laju volume energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran pada sisi masuk reaktor, W/m3 S gen = total entropi pembentukan di generator desorpsi, J/kg.K S in = total entropi masuk pada generator desorpsi, J/kg.K so = entropi lingkungan, J/kg.K S out = total entropi keluar pada generator desorpsi, J/kg.K s w,in = entropi air panas di sisi inlet selubung dalam generator, J/kg.K s w,out = entropi air panas di sisi outlet selubung dalam generator, J/kg.K s w,in = entropi air panas di sisi inlet selubung luar generator, J/kg.K s w,out = entropi air panas di sisi outlet selubung luar generator, J/kg.K = suhu dari adsorben C = suhu gas di cyclone, K = suhu keluar gasifier, C = suhu adsorben, K = suhu masuk gasifier, C = suhu udara masuk ke unit pencampur, K a = suhu akhir proses adsorpsi pendinginan, o C c,i = suhu fluida dingin masuk, K c,o = suhu fluida dingin keluar, K g = kenaikan suhu generator, K g = kenaikan suhu metanol, K g = suhu akhir proses desorpsi pemanasan, o C h,i = suhu fluida panas masuk, K h,o = suhu fluida panas keluar, K o = suhu lingkungan, K o = suhu lingkungan, C s = suhu jenuh dari refrigeran, C U = pindah panas menyeluruh, W/m.K xxii

23 xxiii U mf Us v v V CH4 V CO V H vt w W rev X X X destroyed X in X out = kecepatan minimum yang diijinkan, m/s = kecepatan gas yang diijinkan untuk gasifikasi, m/s = kecepatan gas masuk, m/s = superficial gas velocity, m/s = fraksi volume metana dalam gas = fraksi volume karbon monoksida didalam gas. = fraksi volume hidrogen dalam gas = kecepatan fluida di sisi pipa, m/s = laju masa, kg/s = kerja reversible per waktu, kw = fraksi metanol pada suhu a-g = fraksi metanol pada suhu g-g = total eksergi pemusnahan pada generator desorpsi, J = total eksergi masuk pada generator desorpsi, J = total eksergi keluar pada generator desorpsi, J ΔH = nilai kalor pembakaran, kj/m 3 ΔH = entalphi udara yang masuk unit pencampur, kj/kg ΔH = entalphi gas hasil gasifikasi yang masuk unit pencampur, kj/kg ΔH 3 = entalphi gas buang yang keluar motor diesel, kj/kg ΔH 4 = entalphi yang dibawa oleh fluida pendingin, kj/kg ΔLMD = Log mean temperature difference ΔP = kerugian tekanan gas di cyclone, Pa ΔS sistem = perubahan entropi sistem di generator desorpsi, J/kg.K Δt cold = perubahan suhu fluida dingin, K ΔU silikagel- MeOH-Gen = perubahan energi dalam silikagel-metanol-generator, J ΔU sistem = Perubahan energi dalam silikagel-metanol, J Δx sistem = perubahan eksergi pada sistem generator desorpsi, J ε = efektivitas alat penukar kalor, % η Ex = efisiensi eksergi, % μ = viskositas kinematik gas, kg/m.s μs = viskositas fluida di sisi cangkang, kg/m.s μt = viskositas fluida di sisi pipa, kg/m.s ρ = densitas bahan yang dibakar, kg/m 3 ρ g = massa jenis gas, kg/m 3 ρ p = masa jenis partikel, kg/m 3 ρ s = massa jenis partikel gas, kg/m 3

24 xxiv ρt = masa jenis fluida di sisi pipa, kg/m 3 Ф m = laju aliran gas stokiometrik pada gasifier, m 3 /s

25 PENDAHULUAN Latar Belakang Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Di samping itu, ketergantungan terhadap minyak bumi tidak dapat dipertahankan lagi untuk jangka panjang, sehingga diperlukan upaya untuk mensubsitusi minyak bumi melalui pengembangan dan pemanfaatan energi baru terbarukan, yaitu tenaga surya, angin, biomassa, gambut, dan sebagainya. Misi Pengelolaan Energi Nasional, diantaranya adalah menyediakan energi yang terjangkau untuk kaum dhuafa dan daerah yang belum berkembang, Blueprint Pengelolaan Energi Nasional : ESDM 005. Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya. Indonesia yang secara geografis berada di daerah tropis, memiliki ketersediaan forest biomass dan limbah pertanian yang sangat melimpah masingmasing tersebar di Sumatra, Sulawesi, Papua, Jawa dan Pulau lainnya, sehingga potensi biomassa diseluruh Indonesia mencapai 6.99 juta ton. Departmen Kehutanan 000. Jika nilai kalor yang dimiliki kayu rata-rata 7 MJ/kg, maka ketersediaan energi biomassa setara dengan 4.45x0 9 GJ. Dengan konsumsi energi rata-rata negara maju 0 GJ per kapita per tahun Krisnha Prasad 985, maka rasio kebutuhan dan ketersediaan baru mencapai 49.44%, sehingga energi biomassa dapat mencukupi untuk kebutuhan penduduk Indonesia. Kebutuhan bahan bakar untuk transportasi, industri, komersial, rumah tangga dan lainnya dari tahun 005 hingga tahun 05 diperkirakan naik secara signifikan, yaitu dari 900 juta setara barrel minyak SBM menjadi 800 juta SBM kenaikan %. Skenario kebutuhan energi dari tahun 00 sampai tahun 05 tersaji pada Gambar..

26 Gambar. Skenario kebutuhan energi di Indonesia ESDM 005. Berdasarkan grafik di atas, kebutuhan energi di Indonesia pada tahun 05 mencapai 5000 juta SBM tanpa konservasi energi namun kebutuhan dapat ditekan sampai 900 juta SBM apabila dilaksanakan kebijakan hemat energi melalui program konservasi energi. Pilihan teknologi yang dapat dikembangkan adalah gasifikasi biomassa, dimana gas mampu bakar dari reaktor dikonversi menjadi energi listrik dan gas buangnya dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses desorpsi mesin pendingin adsorpsi. eknologi gasifikasi pada penelitian ini meliputi; pilihan biomassa, desain gasifier aliran ke bawah serta alat pemurnian gas mampu bakar, pilihan mesin pembangkit tenaga diesel, desain alat penukar kalor dan modifikasi generator mesin pendingin adsorpsi hasil rancangan peneliti sebelumnya Rofik 00. Biomassa sebagai Energi Alternatif. Biomassa sebagai energi alternatif dapat dijadikan sumber energi pengganti BBM untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Kenaikan harga minyak mentah dunia yang mencapai 9.5 USD per barrel pada akhir April 008, mengakibatkan kenaikan biaya operasional pembangkit listrik tenaga Diesel. Biaya produksi listrik mencapai Rp 750 per kwh, sehingga program diversifikasi energi menjadi sangat strategis untuk dikembangkan. Kenaikan permintaan tenaga listrik selama kurun waktu

27 3 0 tahun terakhir mencapai 6-9% per tahun. Pembangkit listrik di Indonesia menghasilkan energi listrik sebesar 5 8 MW pada tahun 005 Musyawarah MEI 005. Salah satu energi alternatif yang berpotensi di daerah terpencil adalah biomassa, karena cadangan biomassa di Indonesia sebesar 6.99 juta ton atau setara dengan 49.8 GW. Selain itu konversi biomassa menjadi sumber energi untuk pembangkit listrik memiliki beberapa keuntungan, yaitu: lebih murah, dapat mensubsitusi bahan bakar minyak, lebih ramah lingkungan, dan polutan gas buang dari motor pembangkit tenaga dapat digunakan sebagai sumber panas pada sistem pendingin adsorpsi pasangan methanol-silikagel. Dengan demikian biomassa dapat dijadikan energi alternatif untuk menghasilkan energi listrik dan menjadi sumber panas untuk mesin pendingin adsorpsi. Peta distribusi biomassa di Indonesia tersaji pada Gambar.. * 3.5 ** 90 *.6 ** * 53. **0.07 * 6.6 **. *38.6 **0.0 * 44.4 **7.6 *.6 **5.8 *4.7 **0.68 * : Forest Biomass ** Agriculture Waste Other Islands: *.6 ** 5.8 Gambar. Potensi biomassa di Indonesia Sumber: Dephut.000. Biomassa sebagai energi alternatif diharapkan mampu memenuhi kebutuhan listrik, khususnya di daerah terpencil. Sehingga 05 juta penduduk pedesaan terpencil dapat menikmati energi listrik. Hal ini sesuai dengan rencana PLN yaitu rasio elektrifikasi mencapai 00% pada tahun 00. erdapat korelasi yang positif antara konsumsi listrik dengan kesejahteraan masyarakat, tersaji pada abel..

28 4 abel. Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat No NEGARA GDP Konsumsi Listrik USD/kapita/tahun kwh/kapita/tahun Indonesia Malaysia Amerika Serikat Jepang Sumber : Handbook of Energy and Economic Statistic in Japan, 003 Namun penggunaan biomassa untuk energi alternatif pada tahun 005 hanya sebesar 0.6% dari kebutuhan energi atau setara dengan 30.4 MW, karena riset teknologi pemanfaatan biomassa belum berkembang di Indonesia. Salah satu teknologi pemanfaatan biomassa yang mungkin dikembangkan di Indonesia adalah gasifikasi. Dengan teknologi ini, energi biomassa diharapkan mampu menghasilkan energi listrik sebesar 80 MW pada tahun 05. Berdasarkan kebijakan pemerintah, energi alternatif mampu menghasilkan energi listrik sebesar 40 MW atau kenaikan sebesar 97.7% pada tahun 05. Perkembangan energi baru terbarukan di Indonesia pada tahun 005 sampai tahun 05 mencapai tersaji pada abel.. abel. Sasaran produksi listrik energi baru terbarukan EB Jenis EB ahun 005 ahun 05 Panas bumi 807 MW MW PLMH 84 MW 500 MW on grid 330 MW off grid Energi surya 8 MW 80 MW Biomassa listrik 30 MW 80 MW Energi angin 0.5 MW 50 MW on grid 5 MW off grid Biodiesel Gasohol 5% total konsumsi solar 4.7 juta kl 5% total konsumsi bensin Bio oil.5% total konsumsi minyak bakar dan IDO Sumber : Dirjen Listrik dan Pemanfaatan Energi Disampaikan pada Musyawarah ke-3 Masyarakat Energi erbarukan Indonesia, September 005

29 5 Gasifikasi Biomassa. Gasifikasi adalah teknologi yang memanfaatkan biomassa untuk menghasilkan listrik. Proses gasifikasi dimulai dari pembakaran tidak sempurna kayu di dalam reaktor untuk menghasilkan gas mampu bakar, lalu didinginkan, dimurnikan dan dicampur dengan udara di dalam mixer, kemudian masuk ke mesin Diesel untuk selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik. Biomassa yang digunakan pada penelitian ini adalah kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem, gasifier yang dipakai adalah jenis unggun tetap aliran ke bawah Imbert downdraft gasifier Jain 996. Hasil penelitian gasifikasi berbahan bakar umpan sekam padi mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 00 kw dengan konsumsi pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator adalah.84 kg/kw-jam Gaos 00. Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin, kapasitas 40 kw, dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator adalah.56 kg/kw-jam risaksono 993. Alat Penukar Kalor. Gas buang yang keluar dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki kandungan energi termal yang cukup tinggi antara 30-35% dari energi hasil pembakaran. Dalam rangka program hemat energi, gas buang sebagai low level energy dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses penguapan metanol dari silikagel proses desorpsi. Alat penukar kalor yang digunakan berjenis aliran silang, dimana fluida panas adalah gas buang dan fluida dingin adalah air. Fungsi alat penukar kalor sebagai media pemindah panas dari gas buang ke generator desorpsi melalui fluida air. Mesin Pendingin Adsorpsi. Mesin pendingin adsorpsi merupakan salah satu alternatif mesin pendingin yang ramah lingkungan dan ramah energi. Mesin pendingin adsorpsi tidak mengunakan freon sebagai zat pendingin dan memanfaatkan gas buang gasifier sebagai sumber panas untuk proses pendinginan. Gas buang dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki panas sebesar 30% dari panas total hasil pembakaran. Panas gas buang sebagai low level energy dapat dimanfaatkan untuk pengering maupun pendingin mesin adsorpsi guna perlakuan produk hasil panen, sehingga dapat memberikan sumbangan dalam mencapai tujuan hemat energi melalui penerapan konsep konservasi energi, seperti abel..

30 6 Pada penelitian ini, zat pendingin yang digunakan adalah pasangan methanol-silikagel. Gas buang digunakan sebagai pengganti fungsi kompresor. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Mesin pendingin adsorpsi dengan pasangan metanol-silikagel telah diteliti di India dengan hasil COP 30%, suhu air pendingin evaporator - o C, suhu air pemanas generator desorpsi 85 o C, laju energi pemanasan desorpsi kw, dan suhu kondensasi 30 o C Oertel & Fisher 998. Hasil penelitian cogeneration, telah dibuat secara komersial dengan kapasitas pendinginan antara kw melalui motor pembangkit tenaga dengan sistem pendingin absorpsi menggunakan media lithium bromide-air Broad Chillerfor Centaur 50 USA 005. Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kj/kg zeolit dengan COP Percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.9 m Sumanthy 999. ujuan Penelitian Penelitian ini secara umum bertujuan untuk merancang bangun dan menganalisa energi dan eksergi pada gasifikasi biomassa untuk pembangkit listrik dan pemanfaatan gas buang sebagai pemasok panas bagi pendingin adsorpsi. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk : Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi temperatur dalam reaktor gasifikasi dengan umpan kayu. Menghitung luas permukaan sentuh alat penukar kalor dengan menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern. 3 Menganalisis kinerja dan eksergi alat penukar kalor. 4 Menghitung kebutuhan energi untuk proses desorpsi di dalam generator pendingin adsorpsi dengan pendekatan kimia dan pendekatan termodinamika. 5 Menganalisis kinerja dan eksergi generator desorpsi. 6 Menghitung kelayakan investasi dan operasi.

31 7 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya yang berkaitan dengan pemanfaatan sumber energi biomassa untuk pembangkit listrik skala kecil, diharapkan mampu memenuhi kebutuhan energi listrik didaerah terpencil yang terisolasi. Selanjutnya, gas buang hasil pembakaran dari mesin pembangkit tersebut dimanfaatkan untuk energi pemanasan pada generator mesin pendingin adsorpsi methanol silicgel. Hasil penelitian tersebut dapat dimanfaatkan sebagai acuan dalam melakukan perancangan dan pembuatan sistem pembangkit tenaga dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan. Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini merupakan suatu rangkaian kegiatan untuk mampu mengkonversikan energi yang dimiliki kayu menjadi gas untuk bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik, dimana gas buangnya dapat dimanfaatkan untuk pemanasan generator mesin pendingin adsorpsi metanol silikagel, sehingga ruang lingkup penelitian ini meliputi : Pemodelan matematik untuk menduga sebaran suhu dan koefisien pindah panas di dalam reaktor, yang merupakan indikator pembentukan gas mampu bakar selama proses pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Analisis komposisi gas mampu bakar dan gas buang, proksimat, ultimat dan nilai kalor umpan kayu. 3 Perancangan reaktor, separator, filter gas, pendingin gas, akumulator, siklon, unit pencampur, panel kontrol, dan alat penukar kalor. 4 Penelitian gasifikasi dengan menggunakan 3 jenis umpan kayu: borneo, lamtorogung, dan asem. 5 Analisis pembentukan gas mampu bakar selama proses oksidasi, pirolisis, pengeringan dan reduksi Gasifier unggun tetap jenis aliran kebawah, yang merupakan reaktor konversi umpan kayu sebagai sumber energi hidro karbon menjadi gas mampu bakar antara lain : karbon monoksida, hidrogen dan gas metan yang untuk selanjutnya dengan menggunakan mesin pembakaran

32 8 kompressi compression ignition engine dapat dikonversi menjadi energi listrik. 6 Uji performansi mesin pembangkit tenaga listrik, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi.

33 PENDAHULUAN Latar Belakang Kebutuhan energi semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pembangunan nasional. Dewasa ini, minyak bumi masih berperan sebagai sumber energi utama di dalam negeri, sehingga pemakaiannya yang terus meningkat, sementara cadangannya terbatas, menyebabkan pengelolaannya harus dilakukan secara efisien. Di samping itu, ketergantungan terhadap minyak bumi tidak dapat dipertahankan lagi untuk jangka panjang, sehingga diperlukan upaya untuk mensubsitusi minyak bumi melalui pengembangan dan pemanfaatan energi baru terbarukan, yaitu tenaga surya, angin, biomassa, gambut, dan sebagainya. Misi Pengelolaan Energi Nasional, diantaranya adalah menyediakan energi yang terjangkau untuk kaum dhuafa dan daerah yang belum berkembang, Blueprint Pengelolaan Energi Nasional : ESDM 005. Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya. Indonesia yang secara geografis berada di daerah tropis, memiliki ketersediaan forest biomass dan limbah pertanian yang sangat melimpah masingmasing tersebar di Sumatra, Sulawesi, Papua, Jawa dan Pulau lainnya, sehingga potensi biomassa diseluruh Indonesia mencapai 6.99 juta ton. Departmen Kehutanan 000. Jika nilai kalor yang dimiliki kayu rata-rata 7 MJ/kg, maka ketersediaan energi biomassa setara dengan 4.45x0 9 GJ. Dengan konsumsi energi rata-rata negara maju 0 GJ per kapita per tahun Krisnha Prasad 985, maka rasio kebutuhan dan ketersediaan baru mencapai 49.44%, sehingga energi biomassa dapat mencukupi untuk kebutuhan penduduk Indonesia. Kebutuhan bahan bakar untuk transportasi, industri, komersial, rumah tangga dan lainnya dari tahun 005 hingga tahun 05 diperkirakan naik secara signifikan, yaitu dari 900 juta setara barrel minyak SBM menjadi 800 juta SBM kenaikan %. Skenario kebutuhan energi dari tahun 00 sampai tahun 05 tersaji pada Gambar..

34 Gambar. Skenario kebutuhan energi di Indonesia ESDM 005. Berdasarkan grafik di atas, kebutuhan energi di Indonesia pada tahun 05 mencapai 5000 juta SBM tanpa konservasi energi namun kebutuhan dapat ditekan sampai 900 juta SBM apabila dilaksanakan kebijakan hemat energi melalui program konservasi energi. Pilihan teknologi yang dapat dikembangkan adalah gasifikasi biomassa, dimana gas mampu bakar dari reaktor dikonversi menjadi energi listrik dan gas buangnya dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses desorpsi mesin pendingin adsorpsi. eknologi gasifikasi pada penelitian ini meliputi; pilihan biomassa, desain gasifier aliran ke bawah serta alat pemurnian gas mampu bakar, pilihan mesin pembangkit tenaga diesel, desain alat penukar kalor dan modifikasi generator mesin pendingin adsorpsi hasil rancangan peneliti sebelumnya Rofik 00. Biomassa sebagai Energi Alternatif. Biomassa sebagai energi alternatif dapat dijadikan sumber energi pengganti BBM untuk pembangkit listrik di daerah terpencil. Kenaikan harga minyak mentah dunia yang mencapai 9.5 USD per barrel pada akhir April 008, mengakibatkan kenaikan biaya operasional pembangkit listrik tenaga Diesel. Biaya produksi listrik mencapai Rp 750 per kwh, sehingga program diversifikasi energi menjadi sangat strategis untuk dikembangkan. Kenaikan permintaan tenaga listrik selama kurun waktu

35 3 0 tahun terakhir mencapai 6-9% per tahun. Pembangkit listrik di Indonesia menghasilkan energi listrik sebesar 5 8 MW pada tahun 005 Musyawarah MEI 005. Salah satu energi alternatif yang berpotensi di daerah terpencil adalah biomassa, karena cadangan biomassa di Indonesia sebesar 6.99 juta ton atau setara dengan 49.8 GW. Selain itu konversi biomassa menjadi sumber energi untuk pembangkit listrik memiliki beberapa keuntungan, yaitu: lebih murah, dapat mensubsitusi bahan bakar minyak, lebih ramah lingkungan, dan polutan gas buang dari motor pembangkit tenaga dapat digunakan sebagai sumber panas pada sistem pendingin adsorpsi pasangan methanol-silikagel. Dengan demikian biomassa dapat dijadikan energi alternatif untuk menghasilkan energi listrik dan menjadi sumber panas untuk mesin pendingin adsorpsi. Peta distribusi biomassa di Indonesia tersaji pada Gambar.. * 3.5 ** 90 *.6 ** * 53. **0.07 * 6.6 **. *38.6 **0.0 * 44.4 **7.6 *.6 **5.8 *4.7 **0.68 * : Forest Biomass ** Agriculture Waste Other Islands: *.6 ** 5.8 Gambar. Potensi biomassa di Indonesia Sumber: Dephut.000. Biomassa sebagai energi alternatif diharapkan mampu memenuhi kebutuhan listrik, khususnya di daerah terpencil. Sehingga 05 juta penduduk pedesaan terpencil dapat menikmati energi listrik. Hal ini sesuai dengan rencana PLN yaitu rasio elektrifikasi mencapai 00% pada tahun 00. erdapat korelasi yang positif antara konsumsi listrik dengan kesejahteraan masyarakat, tersaji pada abel..

36 4 abel. Korelasi penggunaan listrik dengan kesejahteraan masyarakat No NEGARA GDP Konsumsi Listrik USD/kapita/tahun kwh/kapita/tahun Indonesia Malaysia Amerika Serikat Jepang Sumber : Handbook of Energy and Economic Statistic in Japan, 003 Namun penggunaan biomassa untuk energi alternatif pada tahun 005 hanya sebesar 0.6% dari kebutuhan energi atau setara dengan 30.4 MW, karena riset teknologi pemanfaatan biomassa belum berkembang di Indonesia. Salah satu teknologi pemanfaatan biomassa yang mungkin dikembangkan di Indonesia adalah gasifikasi. Dengan teknologi ini, energi biomassa diharapkan mampu menghasilkan energi listrik sebesar 80 MW pada tahun 05. Berdasarkan kebijakan pemerintah, energi alternatif mampu menghasilkan energi listrik sebesar 40 MW atau kenaikan sebesar 97.7% pada tahun 05. Perkembangan energi baru terbarukan di Indonesia pada tahun 005 sampai tahun 05 mencapai tersaji pada abel.. abel. Sasaran produksi listrik energi baru terbarukan EB Jenis EB ahun 005 ahun 05 Panas bumi 807 MW MW PLMH 84 MW 500 MW on grid 330 MW off grid Energi surya 8 MW 80 MW Biomassa listrik 30 MW 80 MW Energi angin 0.5 MW 50 MW on grid 5 MW off grid Biodiesel Gasohol 5% total konsumsi solar 4.7 juta kl 5% total konsumsi bensin Bio oil.5% total konsumsi minyak bakar dan IDO Sumber : Dirjen Listrik dan Pemanfaatan Energi Disampaikan pada Musyawarah ke-3 Masyarakat Energi erbarukan Indonesia, September 005

37 5 Gasifikasi Biomassa. Gasifikasi adalah teknologi yang memanfaatkan biomassa untuk menghasilkan listrik. Proses gasifikasi dimulai dari pembakaran tidak sempurna kayu di dalam reaktor untuk menghasilkan gas mampu bakar, lalu didinginkan, dimurnikan dan dicampur dengan udara di dalam mixer, kemudian masuk ke mesin Diesel untuk selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik. Biomassa yang digunakan pada penelitian ini adalah kayu borneo, kayu lamtorogung, dan kayu asem, gasifier yang dipakai adalah jenis unggun tetap aliran ke bawah Imbert downdraft gasifier Jain 996. Hasil penelitian gasifikasi berbahan bakar umpan sekam padi mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 00 kw dengan konsumsi pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator adalah.84 kg/kw-jam Gaos 00. Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin, kapasitas 40 kw, dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator adalah.56 kg/kw-jam risaksono 993. Alat Penukar Kalor. Gas buang yang keluar dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki kandungan energi termal yang cukup tinggi antara 30-35% dari energi hasil pembakaran. Dalam rangka program hemat energi, gas buang sebagai low level energy dimanfaatkan sebagai pemasok panas pada proses penguapan metanol dari silikagel proses desorpsi. Alat penukar kalor yang digunakan berjenis aliran silang, dimana fluida panas adalah gas buang dan fluida dingin adalah air. Fungsi alat penukar kalor sebagai media pemindah panas dari gas buang ke generator desorpsi melalui fluida air. Mesin Pendingin Adsorpsi. Mesin pendingin adsorpsi merupakan salah satu alternatif mesin pendingin yang ramah lingkungan dan ramah energi. Mesin pendingin adsorpsi tidak mengunakan freon sebagai zat pendingin dan memanfaatkan gas buang gasifier sebagai sumber panas untuk proses pendinginan. Gas buang dari mesin pembangkit tenaga masih memiliki panas sebesar 30% dari panas total hasil pembakaran. Panas gas buang sebagai low level energy dapat dimanfaatkan untuk pengering maupun pendingin mesin adsorpsi guna perlakuan produk hasil panen, sehingga dapat memberikan sumbangan dalam mencapai tujuan hemat energi melalui penerapan konsep konservasi energi, seperti abel..

38 6 Pada penelitian ini, zat pendingin yang digunakan adalah pasangan methanol-silikagel. Gas buang digunakan sebagai pengganti fungsi kompresor. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Mesin pendingin adsorpsi dengan pasangan metanol-silikagel telah diteliti di India dengan hasil COP 30%, suhu air pendingin evaporator - o C, suhu air pemanas generator desorpsi 85 o C, laju energi pemanasan desorpsi kw, dan suhu kondensasi 30 o C Oertel & Fisher 998. Hasil penelitian cogeneration, telah dibuat secara komersial dengan kapasitas pendinginan antara kw melalui motor pembangkit tenaga dengan sistem pendingin absorpsi menggunakan media lithium bromide-air Broad Chillerfor Centaur 50 USA 005. Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kj/kg zeolit dengan COP Percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.9 m Sumanthy 999. ujuan Penelitian Penelitian ini secara umum bertujuan untuk merancang bangun dan menganalisa energi dan eksergi pada gasifikasi biomassa untuk pembangkit listrik dan pemanfaatan gas buang sebagai pemasok panas bagi pendingin adsorpsi. Secara khusus penelitian ini bertujuan untuk : Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi temperatur dalam reaktor gasifikasi dengan umpan kayu. Menghitung luas permukaan sentuh alat penukar kalor dengan menggunakan metode simulasi persamaan polinomial pangkat empat dan metode Kern. 3 Menganalisis kinerja dan eksergi alat penukar kalor. 4 Menghitung kebutuhan energi untuk proses desorpsi di dalam generator pendingin adsorpsi dengan pendekatan kimia dan pendekatan termodinamika. 5 Menganalisis kinerja dan eksergi generator desorpsi. 6 Menghitung kelayakan investasi dan operasi.

39 7 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai bahan informasi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya yang berkaitan dengan pemanfaatan sumber energi biomassa untuk pembangkit listrik skala kecil, diharapkan mampu memenuhi kebutuhan energi listrik didaerah terpencil yang terisolasi. Selanjutnya, gas buang hasil pembakaran dari mesin pembangkit tersebut dimanfaatkan untuk energi pemanasan pada generator mesin pendingin adsorpsi methanol silicgel. Hasil penelitian tersebut dapat dimanfaatkan sebagai acuan dalam melakukan perancangan dan pembuatan sistem pembangkit tenaga dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan. Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini merupakan suatu rangkaian kegiatan untuk mampu mengkonversikan energi yang dimiliki kayu menjadi gas untuk bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik, dimana gas buangnya dapat dimanfaatkan untuk pemanasan generator mesin pendingin adsorpsi metanol silikagel, sehingga ruang lingkup penelitian ini meliputi : Pemodelan matematik untuk menduga sebaran suhu dan koefisien pindah panas di dalam reaktor, yang merupakan indikator pembentukan gas mampu bakar selama proses pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Analisis komposisi gas mampu bakar dan gas buang, proksimat, ultimat dan nilai kalor umpan kayu. 3 Perancangan reaktor, separator, filter gas, pendingin gas, akumulator, siklon, unit pencampur, panel kontrol, dan alat penukar kalor. 4 Penelitian gasifikasi dengan menggunakan 3 jenis umpan kayu: borneo, lamtorogung, dan asem. 5 Analisis pembentukan gas mampu bakar selama proses oksidasi, pirolisis, pengeringan dan reduksi Gasifier unggun tetap jenis aliran kebawah, yang merupakan reaktor konversi umpan kayu sebagai sumber energi hidro karbon menjadi gas mampu bakar antara lain : karbon monoksida, hidrogen dan gas metan yang untuk selanjutnya dengan menggunakan mesin pembakaran

40 8 kompressi compression ignition engine dapat dikonversi menjadi energi listrik. 6 Uji performansi mesin pembangkit tenaga listrik, alat penukar kalor, dan mesin pendingin adsorpsi.

41 KINERJA GASIFIER UNGGUN EAP ALIRAN KE BAWAH Pendahuluan Salah satu energi alternatif yang dapat dikembangkan di Indonesia pada saat ini maupun masa mendatang adalah biomassa kayu, serbuk gergaji, sekam padi, sampah, dan lain-lainnya. Biomassa dapat diubah menjadi sumber energi listrik dengan cara memanfaatkan teknologi gasifikasi. Abdullah et al. 998 mendefinisikan bahwa gasifikasi biomassa merupakan suatu proses konversi bahan selulosa dalam suatu reaktor gasifikasi gasifier menjadi gas mampu bakar yang terdiri dari; karbon monoksida, hidrogen dan gas metan. Selanjutnya gas tersebut dipergunakan sebagai bahan bakar mesin pembangkit tenaga listrik dan sebagai sumber energi untuk proses termal lainnya seperti pengeringan dan pendinginan adsorpsi. ahapan proses gasifikasi dimulai dari zona pengeringan di bagian paling atas gasifier zona pirolisis, umpan kayu mulai terurai menjadi arang, uap air dan gas 3 zona oksidasi di bagian throat, menghasilkan tar, minyak, gas metan, karbon dioksida, karbon monoksida dan energi panas 4 zona reduksi di bagian bawah throat, mereduksi gas karbon dioksida menjadi karbon monoksida 5 gas mampu bakar yang keluar dari reaktor masuk ke unit pemurnian, pendinginan, unit pencampur, kemudian masuk ke mesin Diesel. Kualitas gas mampu bakar ditentukan oleh gasifier, sehingga diperlukan rancangan teknis gasifier yang optimal. Untuk itu, penelitian ini menggunakan model matematik untuk menentukan diameter reaktor, diameter throat, dan tinggi reaktor. ujuan khusus penelitian ini adalah :. Mendapatkan model matematika untuk menduga distribusi suhu dalam reaktor gasifikasi, optimasi alat penukar kalor gas buang, dan generator adsorpsi.. Menentukan rancang bangun alat uji sistem gasifikasi dengan umpan kayu, yang terdiri dari alat penyaring abu dan tar tabung pemisah dan filter gas, pendingin gas, akumulator, cyclon, pencampur dan mesin diesel generator.

42 0 Pendekatan eori Jenis dan Parameter Gasifier. Jenis dan parameter gasifier ditentukan oleh arah aliran gas melalui reaktor arah naik, arah turun, atau horizontal atau oleh arah aliran padatan dan gas searah, berlawanan arah atau aliran silang. Jenis reaktor yang sering dipakai adalah : a. Gasifier reaktor tetap aliran berlawanan arah. Umpan dimasukkan pada bagian atas reaktor dan bergerak ke bawah melewati zona pengeringan, pirolisis, reduksi, dan oksidasi. Sedangkan udara masuk pada bagian bawah dan gas keluar pada bagian atas. Keuntungan jenis gasifier reaktor tetap aliran berlawanan arah yaitu kesederhanaannya, tingkat pembakaran arang yang tinggi, pertukaran panas internal sehingga suhu gas keluar rendah, dan efisiensi gasifikasi yang tinggi. Selain itu Gasifier jenis ini dapat menggunakan bahan bakar dengan kandungan air yang cukup tinggi 50% wb. Kekurangan gasifier jenis ini adalah produksi tar yang tinggi, akibat gas yang tidak melalui zona oksidasi. Gasifier jenis ini sesuai untuk pemanfaatan panas langsung. Namun jika digunakan sebagai bahan bakar mesin, perlu proses permurnian tar. b. Gasifier aliran silang didesain untuk pemakaian arang. Gasifikasi arang menghasilkan suhu sangat tinggi >500 O C di daerah oksidasi yang dapat mengakibatkan masalah material reaktor. Selain itu kinerja pemecahan tar rendah, sehingga diperlukan arang berkualitas tinggi. Keuntungan sistem ini adalah dapat dioperasikan pada skala yang sangat kecil dan konstruksi bagian pemurnian gas cyclone dan baghouse filter yang sederhana. Di negara yang sedang berkembang, sistem ini digunakan untuk tenaga poros dibawah 0 kw. c. Gasifier unggun tetap aliran ke bawah, biomassa dimasukkan pada bagian atas reaktor dan udara dimasukkan pada bagian atas atau samping. Gas keluar dari bagian bawah reaktor sehingga bahan bakar dan gas bergerak pada arah yang sama. Gas hasil pirolisis dibawa melewati daerah oksidasi dengan suhu tinggi dimana terjadi proses pembakaran dan mengakibatkan terbakarnya unsur tar, sehingga gas mampu bakar memiliki kandungan tar yang rendah, sesuai dengan kebutuhan mesin. Gasifier jenis ini digunakan pada tingkat tenaga kw. d. Gasifier opencore didesain untuk biomassa berukuran kecil dengan kandungan abu tinggi. Pembentukan gas mengandung tar kira-kira 0.05 kg tar/kg gas,

43 Knoef HAM & Stassen HEM 994. Pada gasifier open core, udara dihisap melalui seluruh penampang bagian atas reaktor, sehingga ketersediaan oksigen lebih baik. Hal ini menyebabkan suhu reaktor padat tidak akan mencapai suhu ekstrim setempat di zona oksidasi, tidak seperti gasifier konvensional. Parameter teknis dan operasional untuk berbagai macam gasifier, tersaji pada abel.. abel. Parameter teknis dan operasional beberapa jenis gasifier, he Biomass echnology Group BV, 7500 AE Enchede, he Netherlands Jenis gasifier Uraian Aliran ke bawah Aliran ke atas Open core Aliran silang Panas aliran silang Kapasitas komersial maksimum kwe * Waktu penyetelan min Sensitivitas terhadap bahan bakar sensitif tidak sangat sensitif sensitif sensitif tidak sensitif Produksi tar pada beban tinggi < < 0.*** tidak ada g/nm 3 gas Ukuran dan volume bagian pembersih gas Kuantitas residu tar kecil besar besar kecil besar besar kecil tidak ada Sangat kecil*** tidak ada Sensitivitas terhadap fluktuasi idak idak sensitif beban sensitif sensitif sensitif tidak sensitif Rasio turn down HG eff beban tinggi % CG eff beban tinggi % tidak ada Nilai kalor gas dingin MJ/Nm tidak ada *kw termal **hanya sekam padi ***kandungan bahan volatil yang rendah < 0% wt charcoal Sifat-sifat yang berhubungan dengan gasifikasi adalah antara lain : Kandungan butiran air dalam reaktor, didefinisikan sebagai jumlah butiran air dalam material, dinyatakan sebagai persentase dari berat material. Untuk proses konversi termal seperti gasifikasi, lebih disukai berupa umpan yang relatif kering, karena menghasilkan gas dengan kualitas lebih baik, nilai kalor yang lebih tinggi, dan dapat mencapai efisiensi yang optimal. Abu merupakan bahan inorganik atau kandungan mineral yang tertampung dalam reaktor setelah umpan terbakar sempurna. Jumlah abu dari berbagai jenis umpan bervariasi dari 0.% untuk kayu hingga 5% untuk beberapa produk pertanian, sehingga akan mempengaruhi desain reaktor, terutama sistem pembuangan abunya. Komposisi kimia abu juga penting

44 karena mempengaruhi perilaku pelelehan abu tersebut. Pelelehan abu dapat menyebabkan slagging dan penyumbatan saluran dalam reaktor. 3 Komposisi unsur kimia umpan kayu sangat menentukan kinerja gas mampu bakar, karena akan mempengaruhi nilai kalor dan tingkat emisi. Produksi senyawa nitrogen dan sulfur umumnya kecil pada gasifikasi reaktor, karena kandungan nitrogen dan sulfur yang rendah pada reaktor. 4 Nilai panas dan densitas bulk menentukan densitas energi pengumpan gasifier, yaitu energi yang tersedia per unit volume umpan. 5 Jumlah bahan volatil memiliki pengaruh pada tingkat produksi tar dalam gasifier, bahan volatil meninggalkan reaktor pada suhu rendah gasifier unggun tetap aliran keatas atau lewat melalui daerah oksidasi. Kandungan bahan volatil pada umpan kayu bervariasi antara 50% sampai 80%, panas bersih low heating value, nilai kandungan air MCw, dan kandungan abu Acd nilai tersaji pada abel.. abel. Karakteristik tipikal umpan reaktor yang digunakan untuk tujuan pembangkitan energi, he Biomass echnology Group BV 994 Jenis LHVw kj/kg MCw % Acd % Ampas tebu ,7-3,8 Kulit ari coklat kulit kelapa Kulit ari kopi ,6 Residu kapas: - tangkai sampah biji Jagung: - tongkol jagung tangkai 3-7 Residu minyak matahari: tangkai buah serat kulit ampas Gambut Sekam padi ,4 Kayu ,5 -,7 Charcoal ,5-6 Penyiapan umpan kayu perlu diperhatikan karena hampir semua jenis umpan memiliki variasi karakteristik fisik, kimia, dan morfologi yang berbeda. Derajat kebutuhan pengolahan awal yang spesifik tergantung pada karakteristik gasifier,

45 3 seperti kapasitas dan jenis reaktor gasifier unggun tetap aliran ke bawah lebih mengharuskan keseragaman spesifikasi umpan kayu dibandingkan dengan gasifier unggun tetap aliran ke atas. Persyaratan bahan bakar tersaji pada abel.3. abel.3 Persyaratan bahan bakar untuk gasifier fixed reaktor, he Biomass echnology Group BV, 7500 AE Enchede, he Netherlands 994 Jenis gasifier Keterangan Aliran Aliran Aliran Open core ke bawah ke atas silang Ukuran mm sekam padi -3 charcoal Kandungan butir air w.b <5-0 <50 < sekam padi <7 Charcoal Kandungan abu % d.b <5 <5 Kira-kira 0 <6 Morfologi seragam hampir seragam Seragam seragam Densitas bulk kg/m 3 >500 >400 >00 >400 itik leleh abu o C > 50 > 50 > 000 > 50 Umpan kayu dengan kandungan uap air 50-60% pada basis basah, perlu dikeringkan sampai batas kandungan uap air tertentu. Panas sensibel yang keluar dari mesin cukup dapat mengeringkan umpan kayu dari kandungan uap air 70% menjadi 0%. Hasil penelitian gasifikasi dengan umpan sekam padi, mampu menghasilkan tenaga listrik di sisi terminal generator sebesar 00 kw dengan konsumsi pemakaian sekam spesifik padi di bagian terminal generator sebanyak.84 kg/kw-jam Gaos 00. Sedangkan gasifikasi dengan umpan kayu ramin, kapasitas 40 kw dengan konsumsi pemakaian kayu spesifik di bagian terminal generator sebanyak.56 kg/kw-jam risaksono 993. Dengan alat penukar kalor, energi gas buang dari mesin pembangkit tenaga dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi termal low level energy yang ramah lingkungan, sesuai dengan protokol Kyoto. Perkembangan manufaktur mesin pembangkit tenaga gasifikasi dengan menggunakan umpan kayu yang dipasang di Raud dan Briolet Perancis dapat mencapai efisiensi termal di sisi terminal generator sebesar 5% Martenzo Gasifier Inventory 00. Penelitian di UK menghasilkan efisiensi 4% Reaktor Engineering Limited 00, yang terpasang di Seco Bois dan Geddine, Belgia - 6% Xylowatt sa 00, sedangkan yang terpasang di Lahti, Varnamo, Rodaomill,

46 4 Lid, Vilhelmina, Norrsundet Bruk AB, Karlsborg, Kankaanpaa, Kempele, Kauhajoki, Bioneer Oy, Parkanon, Kitee, Jalasjarve, Ilomantsi, Wisa Forest, dan Varkaus Finlandia sebesar 45% Forest Wheeler Energia Oy 00. Fenomena Pembakaran Kayu. Pembakaran pada kayu secara umum merupakan proses perubahan senyawa kimia, dalam hal ini selulosa sebagai senyawa terbesar dalam komposisi kayu selain hemiselulosa dan lignin. Menurut Prasad, 985, proses perubahan kimia dalam pembakaran kayu terbagi dalam tiga tahapan, yaitu: pirolisis yang menghasilkan senyawa yang mudah menguap dan pembentukan arang, dilanjutkan dengan proses pembakaran arang dan pembakaran senyawa yang mudah menguap. Secara sederhana proses perubahan kimia selama proses pembakaran selulosa dapat dilihat pada Gambar., sedangkan skema hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu dapat dilihat pada Gambar.. PIROLISIS PEMBAKARAN Senyawa volatil mampu bakar O Nyala pembakaran Selulosa Levoglucosan Air, kardon dioksida, dan arang O Pijar pembakaran Gambar. Perubahan senyawa kimia pembakaran selulosa, Prasad 985.

47 5 Aliran gas D Nyala C Arang B Pirolisis A Kayu Nyala difusi pembakaran phase gas umumnya turbulen 000 o C 00 o C Pindah panas dan massa secara simultan dengan reaksi kimia, permukaan pembakaran berlangsung lambat. 500 o C 800 o C Pindah panas secara konduksi diikuti dengan proses pirolisis 00 o C 500 o C Rambatan panas dalam media dengan kondisi batas yang berubah, perpindahan kadar air dan gas memiliki sifat yang tidak pasti 00 o C Aliran panas Gambar. Hubungan suhu dengan proses pembakaran kayu Proses Gasifikasi Aliran ke Bawah. Gas hasil gasifikasi dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk motor bensin maupun motor diesel antara lain: karbon monoksida CO, metana CH 4, dan hidrogen H. Untuk memperoleh gas hasil gasifikasi diperlukan empat zona yang terjadi di dalam reaktor, yaitu : Zona Pengeringan Bahan baku terkena panas antara C sehingga bahan baku mulai mengering. Dengan demikian kandungan air akan menguap dan uap ini akan dimanfaatkan untuk proses kimia selanjutnya. Proses kimia penguapan air sebagai berikut: H O cair H O uap Zona Pirolisis Setelah proses pengeringan dilakukan, bahan umpan kayu akan turun dan menerima panas pada suhu antara C dalam kondisi tanpa udara. Bahan baku mulai terurai dan menjadi arang, uap air, dan gas. Proses pirolisis dimulai dengan dekomposisi hemiselilosa pada suhu antara C, dekomposisi selulosa sampai dengan suhu 350 C, dan proses pirolisis berakhir pada suhu 500 C. Selanjutnya proses pengarangan

48 6 berlangsung pada suhu C, terjadi di daerah batas zona pirolisis dan oksidasi. Proses kimia pirolisis adalah sebagai berikut: C x H y O z arang, tar, minyak, asam organik, metana dan lain-lain. 3 Zona Oksidasi Arang yang terbentuk dari ujung zona pirolisis masuk ke daerah oksidasi, selanjutnya dibakar dengan udara yang dimasukkan dari luar melalui lubang pemasukan udara, akan tetapi dengan jumlah yang tidak memadai sehingga terjadi pembakaran tidak sempurna. Suhu oksidasi berkisar antara C terjadi didaerah cekikan throat section yang merupakan zona pembakaran, Smoot and Smith 979. C + O CO + energi termal CO + O CO + energi termal ar, minyak, metana dll CO, CO, H O, CH 4 + energi termal 4 Zona Reduksi Proses ini dimaksudkan untuk mereduksi gas CO hasil proses oksidasi dengan arang menjadi gas CO. Proses ini berlangsung pada kisaran suhu 900 C, dengan mengambil panas dari zona oksidasi. Arang bereaksi dengan gas CO membentuk gas CO, juga arang bereaksi dengan uap air membentuk gas CO dan methane. Proses kimia reduksi adalah sebagai berikut: C + H O CO + H energi termal CO + C CO energi termal Unit pemurnian dan pendinginan gas, terdiri dari: cyclone, gas filter, air cooled dan scruber. Cyclone dan gas filter berfungsi untuk menghilangkan impuritas yang ada dalam gas seperti tar dan partikel, kemudian dilanjutkan ke air cooled dan scrubber untuk mendinginkan gas sebelum dipakai sebagai bahan bakar mesin. Pada proses ini banyak panas yang dilepas dari air cooled yang dapat digunakan untuk pengeringan bahan baku sebelum masuk ke dalam tungku. Agar terjadi pembakaran yang baik diperlukan lima persyaratan, yaitu: pencampuran murni reaktan, udara yang memadai, suhu yang cukup, waktu yang cukup untuk berlangsungnya reaksi, dan memiliki kerapatan yang cukup untuk merambatkan nyala api.

49 7 Karbon merupakan salah satu unsur yang paling penting dan menjadi bagian utama dari setiap senyawa hidrokarbon. Oksidasi karbon lebih lambat dan lebih sulit dibanding dengan hidrogen dan sulfur. Karbon merupakan zat padat bersuhu tinggi dan relatif lebih lambat terbakar sehingga secara teoritis, sulfur dan hidrogen dianggap terbakar sempurna sebelum karbon terbakar. Karbon akan teroksidasi menjadi karbon monoksida CO sebelum semua bagian karbon diubah menjadi karbon monoksida, berikut reaksi kimia: C + O CO + Q C-CO Q C-CO = 0380 kj/kg.mol C 4,0 kg 3 kg 56,0 kg Pada reaksi diatas, jika jumlah karbon memadai, maka karbon monoksida akan teroksidasi menjadi karbon dioksida atau mengalami pembakaran sempurna. Proses pembakaran sempurna akan melepaskan energi. Reaksi pembakaran sempurna adalah sebagai berikut : CO + O CO + Q CO-CO Q CO-CO = kj/kg.mol C 56,0 kg 3 kg 88,0 kg Nilai pembakaran tinggi dari karbon adalah kj/kg sedangkan nilai pembakaran rendah adalah kj/kg. Hidrogen mempunyai suhu penyalaan yang paling tinggi, yaitu 58 o C diantara ketiga unsur yang dapat terbakar, namun karena berupa gas, kinetika perubahan hidrogen berlangsung sangat cepat. Apabila terdapat udara yang cukup, hidrogen akan terbakar sempurna menjadi air. H + O H O + Q H Q H = kj/kg.mol C 4.03 kg 3 kg kg Nilai pembakaran tinggi dari hidrogen adalah kj/kg sedangkan nilai pembakaran rendah adalah 5 63 kj/kg. Sulfur memiliki suhu penyalaan 43 o C yang merupakan suhu penyalaan terendah diantara ketiga unsur mampu bakar di atas. Produk pembakaran sulfur merupakan polutan amosfer paling utama, walaupun saat pembakaran melepaskan energi kimia, reaksi pembakaran seperti berikut :

50 S + O SO + Q S Q S = kj/kg.mol C 3.06 kg 3 kg kg 8 Nilai pembakaran tinggi dari sulfur adalah 9 57 kj/kg sedangkan nilai pembakaran adalah rendah kj/kg. Pemodelan Matematik Suhu Proses Gasifikasi. Pemodelan matematika dimulai dari proses oksidasi, berdasarkan proses gasifikasi di atas, zona oksidasi adalah tempat terjadinya proses pembakaran. Proses pembakaran adalah reaksi kimia antara hidrokarbon yang dimiliki kayu dengan oksigen di udara. Proses pembakaran akan menghasilkan energi dalam bentuk panas yang terjadi sepanjang 0 Z<L, di mana Z adalah koordinat aksial gasifier, dan L merupakan tinggi gasifier. Skema zona gasifikasi dapat dilihat pada Gambar.3. Z Gas mampu bakar Pengeringan L Pirolisis Oksidasi 0 Udara Reduksi Gambar.3 Skema zona gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah. Persamaan yang digunakan pada penelitian ini mengunakan parameter sifat fisik dan termodinamika gasifier yang tersaji pada Lampiran 3 sampai 6. Proses pembakaran terjadi ketika udara dimasukkan melalui Z=0 awal proses oksidasi

51 dengan Suhu dan kecepatan superficial v, Bird et al 994. Kecepatan aliran fluida ini dapat diselesaikan dengan asumsi bahwa konduksi panas aksial berdasarkan Hukum Fourier dimana konduktivitas termal efektif berlaku dalam satu selubung reaktor. w v =. πr ρ Keterangan : v = superficial gas velocity, m/s w = laju masa, kg/s R = jari-jari gasifier, m ρ = densitas bahan yang dibakar, kg/m 3 Laju volume dari energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran S c secara umum merupakan fungsi dari tekanan, suhu, komposisi bahan bakar, dan efektifitas pembakaran. Pada penelitian ini, S c hanya merupakan fungsi suhu Bird et al 994. S c o = Sc. o Keterangan: S c = laju volume energi panas hasil dari reaksi pembakaran, W/m 3 S c = laju volume energi panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran pada sisi masuk reaktor, m 3 /s o = suhu lingkungan, C = suhu masuk gasifier, C = suhu keluar gasifier, C Kesetimbangan energi termal pada kondisi steady yang terjadi di gasifier dapat dijabarkan dengan skema di bawah ini : 9 Laju energi panas masuk Laju energi Laju produksi panas keluar energi panas 0 Gambar.4 Skema kesetimbangan energi termal di gasifier. Perhitungan energi panas masuk, energi panas keluar, dan produksi energi panas menggunakan persamaan berikut ini : - Energi panas masuk melalui proses konduksi pada z

52 0 Z q Z πr - Energi panas masuk melalui aliran pada z Z p o C v R ρ π - Energi dalam bentuk panas keluar melalui konduksi pada z z Δ + Z Z q Z R Δ + π - Energi dalam bentuk panas keluar melalui aliran pada z z Δ + Z Z p o C v R Δ + ρ π - Energi dalam bentuk panas yang diproduksi S c Z R Δ π Apabila persamaan di atas dimasukkan ke dalam persamaan umum kesetimbangan energi yang kemudian dibagi dengan R ΔZ π maka diperoleh: [ ] [ ] [ ] c Z p Z Z p Z Z Z Z Z c Z p Z Z Z Z p Z Z Z c Z Z p Z Z Z Z p Z Z c Z Z p Z Z Z Z p Z Z S Z C v Z C v Z q Z q S Z C v Z q Z C v Z q S Z C v Z q Z C v Z q S Z R Z R Z R C v R Z R q R Z R C v R Z R q R = Δ Δ + Δ Δ = Δ + Δ Δ + Δ = + Δ + Δ Δ + Δ = Δ Δ + Δ + Δ Δ + Δ +Δ +Δ +Δ +Δ +Δ +Δ +Δ +Δ ρ ρ ρ ρ ρ ρ π π π ρ π π π π ρ π π π [ ] c p Z S dz d C v dz dq = + ρ.3 Selanjutnya kita memasukkan Fourier s Law ke dalam persamaan.3 dan mengasumsikan bahwa konduktivitas aksial efektif k z eff konstan, sehingga diperoleh persamaan berikut: [ ] c p eff Z S dz d C v dz d k = +, ρ.4 Persamaan.4 dapat diaplikasikan pada zona I z<0 apabila S c dibuat sama dengan nol. Zona I z<0 merupakan bagian gasifier dimana gas hasil reaksi

53 oksidasi bergerak ke bawah. Karena tidak terjadi pembentukan energi, maka terjadi craking dan endoterm, dimana gas karbon dioksida mengalami reduksi menjadi karbon monoksida sehingga terjadi penurunan suhu. Gas kemudian bergerak ke atas melalui selimut gasifier, dimana terjadi proses cracking. Berdasarkan proses cracking dan reduksi karbon dioksida, persamaan.4 menjadi : d d kz, eff + = 0 ρ v C p.5 dz dz Sehingga persamaan differensial yang digunakan untuk distribusi suhu pada kedua zone sebagai berikut : a. Pemodelan Matematika untuk Zona I di bawah Grate I I d d Zona I z<0 : k Z, eff + ρ vc = 0 p.6 dz dz Persamaan.6 dapat digunakan untuk menduga distribusi suhu terhadap panjang aksial arah z dari gasifier lihat. b. Pemodelan Matematika untuk Zona II di atas Grate II II d d Zona II 0<z<L : k Z, eff + ρ vc p = S c.7 dz dz Pada zona II 0<z<L tersebut terdiri atas proses oksidasi, reduksi, pirolisis, dan pengeringan. Berdasarkan skema zona gasifikasi gambar 5, zona ini terdiri dari proses: oksidasi, pirolisis, dan pengeringan. Persamaan.7 digunakan untuk menduga distribusi suhu terhadap panjang aksial arah z dari diagram proses gasifikasi. Keseimbangan Energi Gas Hasil Gasifikasi. Gas hasil gasifikasi dan udara masuk ke mesin diesel melalui peralatan unit pencampur. Kemudian gas dan udara mengalami reaksi pembakaran di ruang bakar. Keseimbangan energi selama proses meliputi energi hasil pembakaran, kerja, energi yang diserap fluida dingin, dan energi yang dilepas gas. Persamaan keseimbangan energi adalah sebagai berikut: H + H + R 98K = H 3 + H 4 + P.8 ΔH = m.. cp N. d + m. cp O. d

54 ΔH R = m. cp H = m. d + m. cp N ΔH. d + + m m. cp CO. d + m. cp CO. d ΔH + m. d +.0. Keterangan : H = entalphi udara yang masuk unit pencampur, kj/kg = suhu udara masuk ke unit pencampur, K m = jumlah mol per jam dari masing-masing gas N dan O, kg mol c p = panas jenis gas, kj/kg.k H = entalphi gas hasil gasifikasi yang masuk unit pencampur, kj/kg R 98K = energi reaksi pada suhu stándar yang terjadi di dalam ruang bakar, kj/h H 3 = entalphi gas buang yang keluar motor diesel, kj/kg H 4 = entalphi yang dibawa oleh fluida pendingin, kj/kg P = daya keluaran yang diukur pada terminal generator, kw 98 m. cp CH ΔH 98 K co co H H CH 4 CH 4 3 Penentuan Ukuran Gasifier Unggun etap Aliran ke Bawah. Ukuran gasifier unggun tetap aliran ke bawah dihitung dengan menggunakan persamaan berdasarkan referensi Design Consideration For Difference ype of Gasifier Reed and Stassen 985 di bawah ini: Laju gas yang disyaratkan untuk gasifikasi adalah. Φm U s =. π / 4. D Keterangan: Ф m = laju aliran gas stokiometrik pada gasifier, m 3 /s D = diameter gasifier, mm Us = kecepatan gas yang diijinkan untuk gasifikasi, m/s Kecepatan minimum aliran gas adalah μ U = [ 7, ,00605 * Ar 7,696] mf ρ. d g p Keterangan: µ = viskositas kinematik gas, kg/m.s.3

55 3 ρ g = massa jenis gas, kg/m 3 d p = diameter takikan, m A r = luas penampang, m U mf = kecepatan minimum yang diijinkan, m/s Konstanta gasifikasi adalah: 3 d p. ρ g ρ s ρ g. g Ar = μ Keterangan: d p = diameter takikan, m ρ g = massa jenis gas, kg/m 3 ρ s = massa jenis partikel gas, kg/m 3 g = percepatan gravitasi, m/s µ = viskositas kinematik, kg/m.s.4 inggi fluidized reaktor adalah: H f = H mf 8,48. + U U 0,738 mf 0,937 mf. Keterangan: H mf = tinggi minimum gasifier, m H f = tinggi gasifier, m s U. d ρ,006 p 0,6 g. ρ 0,376 s. H mf.5 Berdasarkan teorema Stokes, diameter minimum partikel adalah 8h. v. μ d p = ρ p. g. L Keterangan: h = lebar gasifier, m L = panjang, m ρ p = massa jenis partikel, kg/m 3 d p = diameter partikel, micron v = kecepatan gas masuk, m/s Persamaan untuk menentukan diameter cyclone d. v D p c Keterangan : D c = diameter cyclone, m.6.7

56 4 Persamaan untuk menentukan kerugian tekanan di cyclone 780. v ΔP =.8 Keterangan : P = kerugian tekanan gas di cyclone, Pa = suhu gas di cyclone, K Energi Pembakaran Gas Hasil Gasifikasi. Energi yang dimiliki gas mampu bakar hasil proses gasifikasi dalam reaktor merupakan perkalian antara jumlah mol setiap unsur dengan nilai kalor pembakarannya. Persamaan perhitungan energi gas mampu bakar berdasarkan Chemical Engineers Handbooks Robert H. Perry & Cecil H. Chilton 973 Q g = m gas H + m ΔH gas C H 6 gas H ΔH + m gas C H gas CO 6 + m ΔH gas CO gas C H m ΔH gas CH gas C H ΔH gas CH 4.9 Keterangan : m = jumlah mol, mol H = nilai kalor pembakaran, kj/m 3 Analisis Eksergi dalam Unit Pencampur. Unit pencampur berfungsi untuk mencampur gas hasil gasifikasi dengan udara sebelum masuk ke ruang bakar motor gas. Suplai udara dan gas dapat diatur adjustable fraksinya. Nilai kalor gas yang telah bercampur dengan udara dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: H ig =.680Vco V H V CH V +.38V + 9.5V CO H CH 4.0 Keterangan : H ig = nilai kalor campuran gas dengan udara, kj/m 3 V CO = fraksi volume karbon monoksida didalam gas. V H = fraksi volume hidrogen dalam gas V CH4 = fraksi volume metana dalam gas

57 Proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara di pencampuran dapat dilihat pada gambar.5. 5 CO H CH 4 CO H O O N CO, H, CH 4, CO, H O, O, N Gambar.5 Proses pencampuran gas mampu bakar dengan udara. Perhitungan kerja reversible per satuan waktu menggunakan persamaan berikut:. W. W rev rev. V. i Ve = m + + i hi gz i o si m e he + + gz e o se.. = m i i o i e e o e h s m h s. W rev... o o 3 o 3 = m h s + m h s m 3 h s. Keterangan : W. rev = kerja reversible per waktu, kw m = laju aliran gas mampu bakar masuk, kg/s h = entalpi gas mampu bakar masuk, kj/kg s = entropi gas mampu bakar masuk, kj/kg.k m = laju aliran udara masuk, kg/s h = entalpi udara masuk, kj/kg s = entropi udara masuk, kj/kg.k m 3 = laju aliran campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kg/s h 3 = entalpi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kj/kg

58 6 s 3 = entropi campuran gas mampu bakar dan udara keluar, kj/kg.k Bahan dan Metoda Bahan dan Alat. Bahan dan alat yang digunakan pada penelitian ini: Peralatan unit gasifikasi meliputi : downdraft gasifier, cyclon, hot gas filter, gas cooler, akumulator, dan mixer. Pengambilan gas mampu bakar di sisi keluaran Downdraft Gasifier dengan plastik khusus yang kedap udara. Analisis gas hasil gasifikasi dengan menggunakan alat Gas Chromatography GC dengan prinsip thermal conductivity detector CD dan flame ionization detector FID di eknologi Balai Besar Energi Puspiptek Serpong Analisis nilai kalor kayu LCV, analisis proximat, dan ultimat dari kayu. Bahan umpan kayu borneo, kayu asem, dan kayu lamtorogung. empat dan Waktu Penelitian. Penelitian dilakukan di Laboratorium Energi dan Elekrifikasi Pertanian, Departemen eknik Pertanian, Fakultas eknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian berlangsung 30 bulan, yakni dari bulan Juni 005 sampai Desember 007. Metode Penelitian Peubah pada penelitian ini adalah : Ukuran umpan kayu kubus yang meliputi : 50 mm x 50 mm x 50 mm dan ukuran 5 mm x 5 mm x 5 mm Jenis umpan kayu yang dipakai, yaitu : borneo, asem, dan lamtorogung. Variasi pembebanan generator pembangkit listrik meliputi : beban 00%, 75%, dan 50%. Metode Analisa Kandungan Gas Hasil Gasifikasi Sampel gas diambil dari saluran keluar gasifier dengan menggunakan kantong plastik khusus. Kemudian sampel gas dianalisa dengan Gas Chromathography di BE Puspiptek Serpong angerang. Pengambilan sampel gas dilakukan sebanyak enam kombinasi peubah percobaan.

59 7 3 Pengukuran Daya pada erminal Generator Pengukuran daya pada sisi terminal generator dilakukan dengan mengukur tegangan dengan Voltmeter dan arus listrik dengan Amperemeter. Pengukuran dilakukan sebanyak enam kombinasi peubah percobaan. 4 Pengukuran suhu dengan menggunakan termokopel. Pengukuran akan dilaksanakan sebanyak enam kombinasi peubah percobaan. itik pengukuran suhu pada penelitian ini meliputi : Zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, dan reduksi. Saluran sebelum dan sesudah siklon, pendingin gas, dan saluran sebelum masuk motor gas. Sisi masuk dan keluar alat penukar kalor. Sebelum dan sesudah alat uji sistem pendingin adsorpsi. 5 Pengukuran pemakaian umpan kayu dengan menggunakan timbangan. Pengukuran dilakukan dengan menimbang seluruh umpan kayu yang akan dimasukkan ke dalam reaktor dan dilakukan pengukuran waktu operasi pada setiap beban penuh full load dan beban lainnya part load. Pengukuran akan dilakukan sebanyak enam kombinasi peubah percobaan. Jenis umpan kayu, yang digunakan pada penelitian ini tersaji pada Gambar.6,.7, dan.8. Gambar.6 Kayu Lamtorogung Leucena Wood.

60 8 Gambar.7 Kayu Borneo Borneo wood. Gambar.8 Kayu Asem amarind Wood.

61 9 Hasil dan Pembahasan Rancang Bangun Gasifier Unggun etap Jenis Imbert Aliran ke Bawah Reaktor gasifier dirancang dengan batasan yang mampu membangkitkan tenaga sebesar 0 kw dan pola operasi enam jam tanpa penambahan umpan kayu, serta menghasilkan gas mampu bakar yang optimum. Berdasarkan batasan laju aliran gas minimum untuk aliran ke bawah, maka gasifier yang dirancang mempunyai diameter reaktor 600 mm, diameter throat 0 mm, dan tinggi reaktor 800 mm. Reaktor dilapisi dengan bata tahan api setebal 00 mm untuk meminimalkan kerugian energi akibat kehilangan panas ke lingkungan. Lihat gambar pada Lampiran 38. Analisis Proksimat dan Ultimat Kayu Pengambilan sampel gas hasil gasifikasi pada gasifier unggun tetap aliran ke bawah yang memanfaatkan kayu borneo, asem, dan lamtorogung sebagai umpan dilakukan masing-masing dua kali dan dianalisis dengan menggunakan Gas Chromatography di Laboratorium Sumber Daya Energi Puspipptek Serpong. Analisa menggunakan metoda hermal Conductivity Ditection CD dan Firing Ionization Ditection FID. Hasil analisis laboratorium komposisi umpan kayu yang meliputi kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen ditampilkan pada abel.4. abel.4 Hasil analisis proksimat dan ultimat kayu Borneo, Asem, dan Lamtorogung No Jenis Analisis Kayu Borneo Kayu Asem Kayu Lamtorogung Proximate Kadar air % Bahan menguap % Karbon tetap % Ultimate Kandungan abu % Karbon % Hidrogen % Nitrogen % Oksigen % Nilai kalor kj/kg

62 30 Berdasarkan abel.4, komposisi unsur C, H, dan O dari tiga umpan kayu tersebut bervariasi. Hal ini disebabkan oleh kerapatan kayu Borneo, Asem, dan Lamtorogung berbeda. Komposisi bahan menguap kayu Borneo paling kecil dibanding dua jenis kayu lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa kayu Borneo memiliki kepadatan dan kekerasan paling tinggi. Selain itu, kayu Borneo memiliki kandungan karbon tetap dan karbon terikat yang tinggi, yang mempengaruhi komposisi gas mampu bakar, terutama gas mampu bakar CO. ingginya kadar karbon pada kayu borneo menyebabkan nilai kalornya paling tinggi, yaitu sebesar kj/kg. Kayu lamtorogung mengandung karbon paling rendah, namun menghasilkan gas mampu bakar CH 4 tertinggi abel.4. Hal itu disebabkan karena kadar air kayu lamtorogung paling tinggi, yaitu sebesar.98%. Selain itu kayu lamtorogung mengandung nitrogen paling sedikit, yaitu sebesar 0.5%. Kandungan nitrogen dalam umpan kayu mempengaruhi suhu pembakaran di zona oksidasi. Semakin rendah kandungan nitrogen dalam umpan kayu, maka semakin tinggi suhu di zona oksidasi. Dengan demikian, kayu lamtorogung menghasilkan suhu tertinggi di zona oksidasi. Berdasarkan analisis kromatografi gas yang diambil pada sisi keluar reaktor, terlihat bahwa kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen umpan kayu, mempengaruhi komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan reaktor gasifier. Komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh ketiga umpan kayu dapat di lihat pada abel.5. Jenis Kayu abel.5 Data analisis gas mampu bakar hasil gasifikasi Komposisi dan Uraian H CO CO CH 4 C H 6 C 3 H 8 %wt %wt %wt %wt %wt %wt Borneo Lamtorogung Asem Komposisi gas mampu bakar yang dihasilkan oleh ketiga jenis umpan kayu terdiri dari hidrogen, karbon monoksida, karbon dioksida, metana, propana, etana,

63 3 dan gas lainnya. Kayu Borneo memberikan komposisi gas mampu bakar CO jauh lebih tinggi dibanding dengan Lamtorogung dan Asem, karena kayu Borneo mengandung karbon tetap dan karbon terikat tertinggi. Komposisi gas mampu bakar lainnya tidak berbeda jauh, kemungkinan besar disebabkan oleh proses pembentukan CO dari hasil pembakaran di zona reduksi berlangsung cepat dan merata. Gas mampu bakar dari ketiga jenis umpan kayu tidak mengandung hidrogen. Hal ini disebabkan karena kandungan air ketiga jenis umpan kayu relatif rendah, yaitu dibawah 3%. 3 Distribusi suhu gas di dalam Gasifier Distribusi suhu terhadap waktu untuk zona oksidasi dan reduksi cenderung berfluktuatif. Secara teoritis, suhu di zona oksidasi dan di zona reduksi seharusnya memiliki nilai suhu yang sama dan tidak berubah terhadap waktu. Perubahan suhu ini disebabkan oleh dua hal, pertama zona oksidasi dan zona reduksi tidak berhubungan langsung dengan reaksi pembakaran, melainkan mendapatkan energi termal dari proses pembakaran di zona oksidasi. Kedua, jumlah umpan kayu di reaktor menurun secara intermitten, sehingga kecepatan pembakaran tidak seragam untuk periode waktu yang sama. Berdasarkan suhu uji coba, pada jarak antara 0 sampai 50 mm dari zona oksidasi, suhu tinggi dan relatif konstan. Setelah berjarak 00 mm dari zona oksidasi, suhu cenderung menurun tajam. Daerah yang berjarak 00 mm dari zona oksidasi merupakan zona pirolisis dan zona pengeringan. Penurunan suhu ini disebabkan oleh jarak yang relatif jauh dari zona oksidasi, sehingga rambatan energi panas dari zona oksidasi cenderung menurun. Pola distribusi suhu di zona oksidasi, reduksi, pirolisis, dan pengeringan untuk ketiga jenis umpan uji ditampilkan pada Gambar.9.

64 a Pengeringan Pirolisis 3 Suhu o C Oksidasi Reduksi 00 5 Lingkungan Waktu Pengujian jam b 000 Z Pengeringan Suhu C Pirolisis Oksidasi Reduksi L Pengeringan Pirolisis Lingkungan 0 Udara Oksida Reduksi Waktu Pengujian jam c 4 Pengeringan Suhu o C Pirolisis Oksidasi Reduksi Lingkungan Waktu Pengujian jam Gambar.9 Pola Suhu terhadap waktu pengujian a Kayu Borneo, b Kayu Asem, dan c Kayu Lamtorogung.

65 33 4 Simulasi Pola Distribusi Suhu di Gasifier Perbandingan pola distribusi perubahan suhu terhadap jarak ketinggian gasifier hasil simulasi dan hasil uji ditampilkan pada Gambar.0. Profil Suhu Zona II pada Gasifier di atas Grate Suhu o C Jarak erhadap Grate m Simulasi Hasil uji Gambar.0 Pola distribusi suhu hasil uji dan simulasi. Pada grafik pola distribusi suhu, terjadi perbedaan distribusi suhu antara perhitungan numerik dengan hasil uji coba. Suhu awal simulasi dimulai dari 000 o C, sedangkan suhu hasil uji di zona oksidasi berkisar antara 000 o C sampai dengan 50 o C. Hal ini disebabkan karena pasokan oksigen melebihi jumlah yang dibutuhkan untuk pembakaran tidak sempurna, sehingga menghasilkan energi panas hasil reaksi pembakaraan yang lebih besar. Dari Gambar. terlihat bahwa temperatur hasil uji di atas zona oksidasi nilainya lebih rendah dibanding dengan pendekatan teoritis. Perbedaan kecenderungan pola distribusi suhu ini disebabkan karena reaktor tidak diisolasi, sehingga terjadi perpindahan panas dari dinding reaktor ke udara sekitarnya. Namun secara umum, keduanya memiliki kecenderungan bentuk kurva yang sama. Perhitungan disribusi suhu tersaji pada Lampiran. Pada penelitian ini, zona I atau daerah di bawah grate 0 cm di bawah, suhu gasifier menurun. Hal ini dapat terjadi karena pada zona tersebut merupakan tempat penampungan abu dari sisa proses oksidasi, jadi panas di zona ini cenderung merupakan sisa panas dari proses oksidasi. Berdasarkan persamaan model matematika distribusi suhu di atas, profil suhu pada zona II oksidasi, reduksi, dan pirolisis dapat digambarkan pada grafik berikut ini.

66 34 Profil Suhu Gasifier pada Zona Oksidasi 9 cm di atas Grate Suhu o C Jarak erhadap Grate meter Gambar. Profil suhu pada zona oksidasi. Profil Suhu Gasifier pada Zona Reduksi 9-38 cm di Atas Grate Suhu o C Gambar. Profil suhu pada zona reduksi Jarak erhadap Grate meter Profil Suhu Gasifier pada Zona Pirolisis Suhu o C Jarak erhadap Grate meter Gambar.3 Profil suhu pada zona pirolisis.

67 35 Berdasarkan grafik di atas, zona oksidasi, suhu cenderung naik, sepanjang 9 cm di atas grate. Zona yang terletak pada interval jarak 9-38 cm di atas grate adalah zona reduksi. Pada zona ini, suhu sedikit menurun dengan interval suhu antara o C. Zona yang terletak pada interval jarak cm di atas grate adalah zona pirolisis, dengan interval suhu antara o C. Berdasarkan data suhu pada zona oksidasi, zona reduksi, dan zona pirolisis dapat disimpulkan bahwa semakin jauh letak zona dari grate, maka suhu akan menurun. Dengan demikian suhu zona pengeringan memiliki suhu terendah, yaitu sebesar 46 o C. Hasil simulasi ini memperkuat temuan Manurung yang mengungkapkan bahwa profil suhu pada gasifier jenis konvensional memiliki karakteristik suhu yang semakin menurun seiring dengan semakin jauhnya jarak dari grate panggangan. 5 Analisis Energi Konsumsi bahan bakar spesifik menggambarkan sejauh mana proses konversi energi bahan bakar menjadi energi mampu bakar yang dapat dimanfaatkan untuk mesin pembangkit tenaga listrik dalam suatu instalasi gasifier unggun tetap aliran kebawah. Hasil analisis pemakaian bahan bakar spesifik dan energi selama 6 jam ditampilkan pada abel.6 dan rincian perhitungan energi pada Lampiran 6. abel.6 Ketersediaan energi dan konsumsi bahan bakar Uraian Borneo Lamtorogung Asem Konsumsi kayu kg Konsumsi arang kg Abu Ash kg Ketersediaan energi dalam reaktor MJ Energi pembakaran per satuan waktu kw Konsumsi kayu spesifik kg/kwh Dengan menggunakan data yang diperoleh dari hasil pengukuran dan analisis laboratorium, maka dapat dihitung besarnya konsumsi bahan bakar spesifik kayu dan energi pembakaran, yang dinyatakan sebagai Q g. Berdasarkan abel.6,

68 36 konsumsi kayu spesifik borneo paling rendah dibandingkan dengan dua bahan uji lainnya, hal ini disebabkan karena kayu borneo memiliki kandungan karbon tetap dan karbon terikat yang paling tinggi, sehingga untuk waktu pembakaran yang sama, jumlah kayu Borneo yang diperlukan untuk pembakaran tersebut lebih sedikit. Untuk menghasilkan besaran daya yang relatif sama, kayu Borneo memberikan konsumsi kayu spesifik yang paling baik. Umpan kayu Borneo menghasilkan energi reaktor sebesar 7. kw, angka ini diperoleh dari hasil perkalian konsumsi kayu per satuan waktu terhadap nilai kalor bawah bahan bakar LCV. Sehingga dengan asumsi efisiensi termal mesin pembangkit tenaga sebesar 33%, dapat digunakan mesin pembangkit berkapasitas maksimum 0 kw dan gas buang dari mesin pembangkit tenaga tersebut dapat dimanfaatkan untuk pemanas generator mesin pendingin adsorpsi pasangan methanol-silikagel. 6 Analisis Keseimbangan ermal Dengan mengunakan data hasil perhitungan energi pembakaran dan energi gas buang, hasil pengukuran daya efektif di terminal generator, dan referensi mesin diesel tanpa turbocharger naturally aspirated engines dengan efisiensi mekanis 80% dan efisensi generator 97.50%, maka dapat dihitung keseimbangan termal pada beban nominal dapat dilihat pada abel.7 dan rincian perhitungan energi tersaji pada Lampiran 6. abel.7 Ketersediaan dan pemanfaatan energi termal pada gasifier dan mesin pembangkit berbahan bakar solar dan kayu borneo pada beban 75% Uraian Notasi/rumus Daya kw % A. Energi per satuan waktu dari gasifier. Energi Masukan Q p = Q g + Q s B. Energi per satuan yang digunakan oleh mesin. Daya poros kw P = kw g /η g Daya gesek kw F = kw P /η m - kw P Energi gas buang Q gb = Q gb CO + Q gb HO + Q gb O + Q gb N Energi lainnya Q lainnya = Q pendinginan + Q rugi-rugi pembakaran+ Q rad otal energi per satuan waktu yang digunakan mesin

69 37 Berdasarkan tabel di atas, energi termal yang dihasilkan oleh Borneo 40% dan solar 60% berturut-turut sebesar 7. kw dan 4.7 kw. Energi tersebut dikonversi menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros sebesar 6.5 kw dan energi termal gas buang 6.85 kw. Efisiensi termal gasifikasi campuran kayu dan bahan bakar solar sebesar 5.0% sedangkan efisiensi termal dengan menggunakan bahan bakar solar 00% sebesar 6.46%. Penurunan efisiensi termal disebabkan oleh kekurangan suplai oksigen pada proses pembakaran, sehingga gas mampu bakar CO tidak terbakar sempurna. Hal itu menyebabkan energi termal hasil proses pembakaran berkurang. Peningkatan efisiensi termal dapat dilakukan dengan menambah suplai oksigen sehingga gas CO dapat terbakar sempurna. Penambahan oksigen excess air dapat dilakukan dengan menggunakan supercharged engine atau turbocharged enginei. Alat ini memanfatkan gas buang untuk menambah suplai oksigen dengan cara mendorong paksa udara ke ruang bakar. Simpulan Berdasarkan data tiga kali pengujian kayu borneo, asem, dan lamtorogung, yang dilanjutkan dengan analisis kromatografi gas dan analisis proksimat, ultimat serta nilai kalor bahan bakar, maka disimpulkan sebagai berikut. Gasifier memiliki diameter reaktor 600 mm, diameter throat 0 mm, dan tinggi reaktor 800 mm dengan umpan kayu dalam bentuk kubus ukuran 3 cm x 3 cm x 3mm sebesar 40 kg.. Umpan kayu terbaik adalah borneo, dimana kandungan CO = 55.59%, CO = 4.90%, CH 4 =.4%, CH 6 =0.99%, dan C3H8 = 0.075%, energi pembakaran = 7. kw, dan konsumsi kayu spesifik =.98 kg/kwh. 3. Model matematika distribusi suhu di zona oksidasi, pirolisis, dan reduksi cenderung sama dengan data simulasi, yaitu pada zona oksidasi suhu gasifier terhadap jarak grate cenderung meningkat hingga berjarak 0. m dari grate, kemudian menurun, sedangkan pada zona reduksi dan pirolisis suhu gasifier cenderung menurun seiring dengan bertambahnya jarak dari grate. 4. Proses gasifikasi biomassa dengan campuran umpan kayu Borneo dan solar mampu menghasilkan ketersediaan energi sebesar 4.40 kw. Energi ini

70 38 dikonversi menjadi energi poros sebesar 6.5 kw dan energi gas buang sebesar 6.85 kw. Efisiensi termal gasifikasi campuran kayu dan bahan bakar solar sebesar 5.0% sedangkan efisiensi termal dengan menggunakan bahan bakar solar 00% sebesar 6.46%. Penurunan efisiensi termal disebabkan oleh kekurangan suplai oksigen. Saran. Pengambilan dan penyimpanan sampel gas mampu bakar yang ditempatkan pada plastik sebaiknya pada suhu dibawah 0 o C sehingga molekul hidrogen tidak keluar dari sampel plastik.. Untuk mendapatkan efisiensi termal yang optimum dibutuhkan penggantian mesin penggerak diesel dengan supercharged engine atau turbocharged engine dengan boost pressure rasio lebih dari..

71 3 ALA PENUKAR KALOR UNUK PEMANFAAAN GAS BUANG Pendahuluan Pemanfaatan gas buang mesin diesel untuk sumber panas generator mesin pendingin adsorpsi merupakan salah satu bentuk nyata optimasi sumber daya. Panas yang dibutuhkan oleh mesin pendingin adsorpsi berasal dari kesetimbangan panas antara gas buang dengan air yang terjadi di alat penukar kalor. Dengan demikian pemanasan air tidak mengunakan energi listrik atau bahan bakar lain. Proses pindah panas berlangsung secara konveksi dan konduksi dari gas buang ke air pemanas generator desorpsi. Energi gas buang dengan suhu antara o C dipindahkan ke air pemanas desorpsi hingga mencapai o C yang digunakan untuk menguapkan metanol dari silikagel selama proses desorpsi. Alat penukar kalor dirancang sedemikian rupa sehingga pressure drop gas buang lebih rendah dari tekanan balik back pressure yang diijinkan 0.3 bar aylor 966, sehingga tidak mengganggu performansi mesin. Gas buang bertekanan mengalir dari dalam mesin menuju cangkang shell, sedangkan air dialirkan secara paksa dengan menggunakan pompa melalui pipa. ipe alat penukar kalor ini adalah cangkang dan pipa dengan aliran silang arus tak bercampur unmixed, cross flow. Kualitas pindah panas antara air dan gas buang ditentukan oleh desain alat penukar kalor karena itu diperlukan suatu perhitungan model matematika yang dapat menentukan luas permukaan sentuh dengan mengatur jumlah pipa, panjang pipa, dan luas penampang aliran cangkang. Variabel pembatas pada desain ini adalah data suhu masuk dan keluar, laju aliran massa, tekanan masuk dan keluar. Energi adalah sesuatu yang dapat menghasilkan kerja, namun untuk menggambarkan sejauh mana energi hilang karena terjadinya suatu proses dari keadaan awal ke keadaan akhir diperhitungkan dengan kondisi irreversibilitas. Suatu proses yang ideal produksi entropinya sama dengan nol, sebaliknya proses yang tidak ideal produksi entropinya lebih besar dari nol. Dengan cara yang berbeda sebagai ukuran ketersedian energi yang dapat dimanfaatkan setelah memasukkan suhu lingkungan disebut eksergi. Berdasarkan hukum termodinamika satu, hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnakan, tetapi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk

72 40 energi lainnya. Meskipun demikian, hanya sebagian energi saja yang dapat digunakan untuk melakukan kerja. Potensi energi yang digunakan untuk melakukan kerja adalah eksergi, sedangkan energi yang tidak dapat digunakan untuk melakukan kerja disebut entropi. Secara garis besar, perbedaan energi dengan eksergi adalah sebagai berikut :. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnakan tetapi dapat berubah wujud, sedangkan eksergi pada sistem dapat berkurang bahkan musnah.. Perhitungan energi sesuai dengan hukum termodinamika pertama, sedangkan perhitungan eksergi sesuai dengan hukum termodinamika kedua. 3. Eksergi berhubungan langsung dengan kemampuan alat atau mesin dalam memanfaatkan energi yang tersedia. Menurut Clausius, energi panas tidak dapat mengalir secara alami dari suhu rendah ke suhu tinggi. Menurut Lord Kelvin, energi panas tidak seluruhnya dapat menghasilkan kerja. Eksergi dan entropi saling berhubungan, semakin besar entropi pada sistem, maka semakin kecil eksergi pada sistem. Secara garis besar eksergi adalah energi yang tersedia dikurangi dengan pembentukan entropi pada sistem alat penukar kalor. Pada penelitian ini akan dilakukan rancangan optimasi alat penukar kalor, analisa perubahan suhu, dan analisa kehilangan eksergi exergy loss. Penelitian ini bertujuan untuk mencari luas permukaan sentuh yang optimal dengan menggunakan metode Kern, menganalisa kinerja dan efisiensi eksergi alat penukar kalor. Pendekatan eori Model Fisik Alat Penukar Kalor. Model fisik alat penukar kalor APK menggunakan fluida air dan gas buang CO, H O dan N. Air adalah fluida dingin dan gas buang adalah fluida panas. Sistematika aliran fluida pada alat penukar kalor adalah pertama air mengalir secara paksa melalui pipa dari atas ke bawah melalui 75 pasang pass. Gas buang mengalir dari kamar pembakaran

73 4 melalui cangkang alat penukar kalor. Gas buang mengalir dari bawah ke atas menggunakan prinsip perbedaan tekanan. ipe APK yang digunakan adalah cangkang and pipa unmixed cross flow, material cangkang menggunakan brass copper alloy dengan kandungan Cu = 65% dan Zn = 35% sesuai JIS H3300 C700, tebal pelat = 3 mm dan material pipa tembaga murni sesuai dengan kandungan Cu = 99,9% sesuai JIS H3300 C0 Soft Annealed, konduktivitas termal k = 385 W/m.K, diameter luar 0 mm, tebal mm, diameter dalam 8 mm. Skema APK dapat dilihat pada Gambar 3.. Gas Buang, keluar Cangkang Pipa Air, keluar Air, masuk L A fr Gas buang, masuk Gambar 3. Model fisik alat penukar kalor aliran silang tidak campur. Model Matematika. Model matematika untuk mencari luas permukaan sentuh APK, menggunakan metode optimasi dan metode Kern. Pada metode optimasi data inputnya adalah laju aliran massa gas buang dan air, suhu masuk gas buang, dan suhu air keluar. Parameter optimasi meliputi sifat-sifat termodinamik gas buang dan air, rugi-rugi tekanan pada pipa dan cangkang, kecepatan aliran fluida, gesekan fluida dengan dinding pipa, kapasitas panas maksimum dan minimum, efektivitas, NU, log perubahan suhu, dan konduktivitas termal menyeluruh. Melalui persamaan rugi-rugi tekanan dan mengkaitkan besaranbesaran kinerja, dimeter pipa dan luas penampang aliran tak berdimensi dapat dibuat persamaan polinomial pangkat 4, sehingga dapat dilakukan simulasi untuk menentukan pilihan diameter pipa yang akan mempengaruhi jumlah pipa, panjang

74 4 pipa, bilangan Reynold, luas permukaan sentuh dan koefisien perpindahan panas menyeluruh. Perhitungan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 7-. Model ini diterapkan pada penelitian awal dengan pilihan diameter pipa mm, dari hasil pengujian metode optimasi tidak dapat memenuhi kebutuhan suhu air yang diperlukan untuk proses desorpsi, sehingga penentuan luas permukaan sentuh dan diameter pipa dilakukan dengan metode Kern. Secara garis besar proses program perhitungan luas permukaan sentuh dengan metode Kern adalah sebagai berikut: Hasil Data Input. Laju aliran massa. Suhu 3. Sifat Fluida 4. Dimensi APK Program. A. U 3. Δ LMD 4. Q APK 5. Q air 6. Q gas buang 7. Efektivitas 8. NU 9. Eksergi efisiensi Gambar 3. Skema perhitungan luas permukaan sentuh metode Kern Data input terbagi menjadi dua, yaitu data input tetap dan data input tidak tetap. Parameter pada perhitungan ini meliputi laju aliran massa fluida, suhu fluida, dan sifat fluida, sedangkan variabel pada penelitian ini hanya dimensi alat penukar kalor. Penentuan dimensi APK dengan menggunakan sistem trial and eror, yaitu dimensi alat penukar kalor disesuaikan dengan nilai Q APK, Q air, dan Q gas buang. Asumsi yang diterapkan pada perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor adalah sebagai berikut : Pindah panas yang terjadi antara cangkang dengan lingkungan sangat kecil atau diabaikan. Pipa lurus dengan permukaan dalam dan luar yang halus. 3 Aliran air dan aliran gas buang kontinu. 4 Air dan gas buang pada kondisi di atas tekanan atmosfir.

75 43 5 Penurunan tekanan akibat perubahan bentuk alat penukar kalor diabaikan. 6 Pindah panas radiasi dari gas juga diabaikan. Konsep optimasi desain meliputi proses total pindah panas pada sistem, asas Black, karakteristik fluida, dan konstruksi alat penukar kalor. Model optimasi akan dijabarkan per konsep. Proses pindah panas secara garis besar terjadi secara konduksi dan konveksi. Alur pindah panas dari gas ke air dapat dilihat pada Gambar 3.3. air gas buang 4 k o n v e k s i k o n 3 d u k s i k o n v e k s i Gambar 3.3 Alur proses pindah panas di alat penukar kalor. Persamaan yang digunakan dalam perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor berdasarkan Metode kern, sebagai berikut: Dimensi pipa tube. Rasio jarak antar pipa tube pitch rasio Pt PR = d o 3.. Luas penampang pipa cross sectional area of the tube A c π di = 4 3. Luas permukaan pipa A = πd N L o o t Dimensi cangkang shell 4. Luas penampang aliran cangkang bundle cross flow area at the shell A s = Ds CB P t

76 Diameter ekivalen Pt 3 πd De = πdo Sifat fluida di sisi pipa 6. Bilangan Reynold ρt vt di Ret = μ t o 7. Gesekan fluida dengan pipa f.58 ln Re 3.8 = t Number ransfer Unit NU untuk aliran turbulen Nu t = f / Re t Pr 3 f / / Pr t / t Koefisien perpindahan panas pada bagian dalam pipa Nutk h i = d i t Sifat fluida di sisi cangkang 0. Bilangan Reynold Re s ms = As D e μs. Koefisien pindah panas di bagian luar pipa 0.36k h o = D e s Re s 0.55 Pr /3 s Performansi Alat Penukar Kalor. Koefisien pindah panas menyeluruh = U h o do + h d i i r o ro ln r i + k

77 45 3. Log mean temperature difference LMD Δ LMD = ln 4. Energi panas yang dipindahkan Q = UAΔ 5. Pindah panas di sisi fluida dingin cold 6. Pindah panas di sisi fluida panas 7. Efektivitas h, i c, o h, o c, i { / } LMD h, i Q = mcpδ Q hot ε = = cold mcpδ hot c, o c, i h, i c, i 8. NU ε c ln NU ε = c c, o h, o c, i Model Matematika Perubahan Suhu di Alat Penukar Kalor. Model matematika perubahan suhu di alat penukar kalor diekspresikan dengan persamaan diferensial sebagai berikut : δ Q & = m& C d, untuk fluida panas 3.9 h c ph pc c h δ Q & = m& C d, untuk fluida dingin 3.0 Persamaan di atas dalam bentuk d h dan d c, d h δq& = m& C h p h 3. d c δq& = 3. m& C c p c Selisih, d h d c = δ Q& m& h C p h m& c C p c

78 46 Laju pindah panas dalam bentuk differensial, c h s UdA Q = & δ 3.4 c h UpdL Q = & δ 3.5 Subtitusikan persamaan di atas, + = c p c h p h c h c h C m C m UpdL d d & & 3.6 Setelah diintegralkan dari masuk ke keluaran, + =,,,, ln c p c h p h p out c in h in c out h C m C m L U & & =,,,, exp c p c h p h p out c in h in c out h C m C m L U & & =,,,, exp c p c h p h p out c in h in c out h C m C m L U & & =,,,, exp c p c h p h p out c in h in c out h C m C m L U L & & 3.30 L out, h : h,out diperoleh sebagai fungsi dari panjang lintasan fluida semua variabel dibuat tetap, kecuali L dari L=0, sampe L=x, perubahan L menentukan perubahan pada titik L. Eksergi Hilang di Alat Penukar Kalor. Asumsi yang diterapkan pada pengembangan model matematika untuk menghitung eksergi hilang selama proses pindah panas berlangsung adalah : erdapat perbedaan suhu antara sistem penukar panas dengan lingkungan. Eksergi yang tersedia pada penukar panas berasal dari fluida panas gas buang.

79 47 3 Perhitungan eksergi berdasarkan perubahan entalpi gas buang dan air di penukar panas akibat perubahan suhu. 4 Laju aliran massa air konstan, laju aliran massa air masuk sama dengan laju air keluar alat penukar kalor. Prinsip model matematika yang digunakan untuk menghitung eksergi hilang pada alat penukar kalor adalah perubahan entalpi fluida pada saat proses pindah panas. Fluida panas di sisi masuk Eksergi tersedia pada Alat Penukar Kalor [ hh, in ho o sh, in so ] mh in Ex H, in *, = 3.3 Fluida panas di sisi keluar Eksergi terbawa oleh gas buang fluida panas [ hh, out ho o sh, out so ] mh out Ex H, out *, Fluida dingin = 3.3 Eksergi diserap oleh air fluida dingin C { [ hc, out ho o sc, out so ] [ hc, in ho o sc, in so ] } mc Ex = * 3.33 Eksergi hilang Ex, Ex 3.34 loss = ExH, in ExH, out Efisiensi eksergi Eksergi tersedia Eksergi hilang η Ex = *00%, atau Eksergi tersedia C ExH, in Ex, loss η Ex = *00% 3.35 Ex H, in Untuk mempermudah perhitungan eksergi hilang, maka dibuat diagram alir sebagai berikut :

80 48 Perhitungan Efisiensi Eksergi Fluida panas gas buang Fluida dingin air Ex h h s s H, in Ex H, in o exergy per kg o H, in h h s s H, out H, out o exergy per o H, out kg o o Ex h h s s C, in Ex C, in o exergy per kg o C, in h h s s C, out C, out o exergy per o C, out o kg o eksergi tersedia di sisi gas buang masuk Ex H,. in = ExH, in * exergy per kg m H, in Ex eksergi hilang pada gas buang H., out = ExH, out * exergy per kg m H, out Ex C = eksergi diserap oleh air ExC, out ExC, in * mc exergy per kg Ex, loss = ExH, in ExH, out Ex C η EX useful work = available work eksergi tersedia eksergi hilang = eksergi tersedia Gambar 3.4 Diagram alir perhitungan eksergi hilang di alat penukar kalor. Diagram alir perhitungan efisiensi eksergi di atas berdasarkan data suhu, entalpi, dan entropi fluida panas dan fluida dingin. Besar efisiensi eksergi pada

81 sistem didapatkan dari perbandingan antara eksergi terpakai dengan eksergi tersedia pada sistem alat penukar kalor. 49 Bahan dan Metoda Alat dan Bahan. Alat dan bahan yang digunakan selama pengujian alat penukar kalor antara lain: Mesin pembangkit tenaga, gasifier jenis aliran kebawah lengkap dengan unit pemurni dan mesin pembangkit tenaga gas yang dikopel dengan AC generator. Alat penukar kalor gas buang. 3 Generator mesin pendingin adsorpsi, dibuat dari bahan stainless-steel SS. utup generator bagian atas dibuat dari bahan stainless-steel SS dan plang yang terbuat dari besi dengan ketebalan 0 mm. Dudukan sensor dibuat dari bahan stainless steel SS dikombinasikan dengan bahan acrylic. 4 Komponen Pendukung meliputi : a. Pompa air, digunakan untuk mengalirkan air untuk penukar panas untuk kondensor dan generator. b. Heater, sebagai sumber panas untuk regenerasi mesin pendingin. c. ermostat, digunakan untuk mengatur suhu heater yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan penukar panas pada generator. d. Pompa vakum yang digunakan untuk alat pendingin adsorpsi. 5 Bahan pengujian adalah larutan methnol murni CH 3 OH sebagai adsorbat refrigeran dan silicagel sebagai adsorben. Instrumentasi. Peralatan instrumentasi yang digunakan selama melakukan pengujian meliputi antara lain: Vakum digital, untuk mengukur tekanan ermometer air raksa, untuk mengukur suhu bola-basah dan bolakering. 3 ermocouple, jenis CC tipe untuk mengukur suhu mesin pendingin 4 Sensor suhu P-00

82 50 5 imbangan elektronik, tife EK-00A AND 6 Stopwatch, untuk mengukur waktu. 7 Data longger, untuk merekam data pengukuran. 8 Komputer, untuk mengumpulkan dan mengolah data hasil pengukuran. Prosedur Percobaan. Prosedur perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor dibuat untuk melakukan optimasi luas permukaan sentuh alat penukar kalor menggunakan sistem trial and eror, dimana parameter perhitungan luas ditentukan oleh keseimbangan energi antara Q alat penukar kalor, Q air dan Q gas buang. Jika keseimbangan energi tidak tercapai, maka konstruksi alat penukar kalor harus diubah. Dengan demikian pada sistem perhitungan, konstruksi tube dan shell menjadi data masukan tidak tetap, sedangkan suhu fluida dan laju aliran massa fluida sebagai data masukan tetap. Optimasi luas permukaan perpindahan panas bertujuan untuk menghasilkan suhu air panas masuk ke sistem pendingin adsorpsi methanol-silikagel sebesar 85 o C, karena merupakan suhu yang ideal. Perhitungan luas permukaan sentuh alat penukar kalor akan menghitung kinerja alat penukar kalor yang meliputi : U, Δ LMD, Q, Q cold, Q hot, efektivitas, dan NU. Data tetap pada penelitian ini adalah energi panas dari gas buang sebesar kw data rancangan, suhu gas buang masuk alat penukar kalor 300 o C data rancangan, suhu air masuk mesin desoprsi 85 o C suhu rancangan, laju aliran massa gas buang kg/s data rancangan pada beban 5%, laju aliran massa air kg/s data kemampuan pompa. Perhitungan Eksergi. Perhitungan eksergi alat penukar kalor dalam penelitian ini akan menghitung eksergi alat penukar kalor berdasarkan data rancangan dan data rata-rata uji coba. Nilai entalpi dan entropi air menggunakan tabel karakteristik air. Sedangkan nilai entalpi dan entropi gas buang didapatkan dari hasil perhitungan, dapat dilihat pada abel 3..

83 5 abel 3. Nilai perhitungan entropi dan entalpi gas buang o C Entalpi, h k J/kg Entropi, s kj/ kg K Nilai entropi dan entalpi gas buang perhitungan berdasarkan sifat termodinamika dan komposisi gas buang. Perhitungan nilai entropi dan entalpi gas buang tersaji pada Lampiran 7. Pengukuran Daya Listrik. Pengukuran daya pada sisi terminal generator akan dilakukan dengan mengukur tegangan dengan voltmeter dan arus listrik dengan amperemeter. Pengukuran akan dilaksanakan sebanyak 6 kombinasi peubah percobaan. Hasil dan Pembahasan. Energi Gas Buang dari Mesin Pembangkit enaga Gasifier Berdasarkan perhitungan keseimbangan termal dari suatu mesin pembangkit tenaga termal gasifier-genset energi dari gas buang flue gas antara 5-30 % dengan suhu antara C. Komposisi gas buang terdiri dari: CO, CO, O, N, SO dan H O Energi panas gas buang dimanfaatkan oleh alat penukar kalor untuk memanaskan generator mesin pendingin adsorbsi. Sebagai data pembanding gas buang dan gas hasil gasifikasi yang diperoleh dari hasil penelitian dan analisa perhitungan yang dilaksanakan Agustus 999, dapat dilihat pada abel 3.

84 5 abel 3. Data gas buang gasifikasi sebagai pembanding Merk, ipe Gasifier Merk, ipe Diesel Gasifier Unggun etap Aliran Kebawah Yanmar 5 ANGGAL PENGUJIAN BEBAN Arus A Cos φ egangan V Beban kw Suhu o C Laju volume m 3 /jam 7 Agustus ,80 70, 40,8 7 Agustus ,80 73, 4,4 7 Agustus ,80 67,5 4,9 Rata-rata 4,7 Jenis fluida dan bahan pipa yang digunakan adalah air dengan pipa copper polished. Nilai parameter untuk kombinasi jenis fluida dan bahan pipa tersebut adalah sebagai berikut: Suhu pendidihan air sat = 00 o C Suhu permukaan dinding pipa s = 04 o C Surface tension σ = N/m ρ l = kg/m 3 ρ v = kg/m 3 h fg = 57 x 0 3 J/kg μ l = 0.8 x 0-3 kg/m.det C pl = 47 J/kg. o C C sf =0.030 P r =.75 Laju pindah panas pada mesin pendingin dapat dihitung dengan persamaan: q C / g ρl ρv p s sat nucleat = μ lh fg = n σ Csf h fg Pr l Laju pindah panasnya Q boiling adalah: = q nukleat x Luas dinding pipa 9.0kW / m =.06 kw pada generator mesin pendingin adsorpsi metanol silikagel

85 53 Perhitungan Luas Permukaan Alat Penukar Kalor. Berdasarkan metode optimasi dengan persamaan polinomial pangkat empat, dipilih dimeter pipa mm, sehingga diperoleh jumlah pipa, panjang pipa 7000 mm, bilangan Reynold 3. x 0 5, koefisien gesekan fluida dengan pipa bagian dalam , perbandingan panjang dengan diameter 583, luas permukaan sentuh 0. m, dan koefisien pindah panas menyeluruh U 37.8 W/m.K. Perhitungan dengan metode optimasi tersaji pada Lampiran 7-. Kinerja alat penukar kalor berdasarkan data pengujian menunjukkan suhu air keluar tidak mencapai angka yang dibutuhkan untuk proses desorpsi minimal yaitu sebesar 85 o C. Hal ini disebabkan karena laluan air di dalam pipa terlalu cepat, ditunjukkan oleh nilai bilangan Reynold yang terlalu besar 3. x 0 5, sehingga proses sentuhan molekul-molekul air pada dinding pipa tidak cukup untuk memindahkan energi panas dari gas buang ke air sesuai yang dibutuhkan. Oleh karena itu perhitungan luas permukaan sentuh dilanjutkan dengan metode Kern. Berdasarkan metode Kern, optimasi luas permukaan sentuh bertujuan untuk menghasilkan air pemanas di sistem pendingin adsorpsi sebesar 85 o C, dimana data rancangan meliputi energi panas dari gas buang sebesar kw suhu gas buang masuk alat penukar kalor 300 o C 3 suhu air masuk generator desoprsi 85 o C 4 laju aliran massa gas buang kg/s. Dimensi alat penukar kalor dapat dilihat pada abel 3.3 abel 3.3 Dimensi alat penukar kalor Konstruksi ube Konstruksi Shell Unit Di Ds 0. m Do De m L 0. m Nt 50 Batang C 0.0 m CL K 385 W/m K Pt 0.0 m PR Ac As 0.85 m Ao 0.94 m

86 54 Berdasarkan metode Kern, dimensi alat penukar kalor dihitung dengan menggunakan trial and eror, dimana diameter, tebal, dan jumlah pipa merupakan data variabel. Konstruksi alat penukar kalor optimum, jika terjadi keseimbangan antara kemampuan pindah panas APK, energi panas dilepas gas buang, dan energi panas diserap air dan kecepatan air di dalam pipa kurang dari 0.9 m/s.. Keseimbangan energi tercapai, dimana diameter pipa sebesar 0 mm, tebal pipa mm dengan jumlah pipa 50 batang dan panjang pipa masing-masing 00 mm. Material pipa yang digunakan adalah jenis tembaga murni dengan konduktivitas termal 385 W/m.K. Rancangan konstanta sudut antara pipa CL sebesar yang mewakili sudut o, jarak antar dinding pipa C sebesar 0 mm dan jarak antar pusat pipa Pt sebesar 0 mm, sehingga diperoleh luas netto aliran cangkang As sebesar 0.85 m. Laju aliran gas buang sebesar kg/s yang melewati luas netto cangkang As bersifat laminer bilangan Reynold 43, namun karena fluida bersifat gas yang memiliki kisaran suhu antara o C pada beban 5% mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 85 o C. Konstruksi alat penukar dengan menggunakan data rancangan mampu memindahkan panas sebesar.0 kw, dimana energi diterima air sebesar 0.98 kw, dan energi dilepas gas buang sebesar kw. Proses perhitungan dimensi alat penukar kalor tersaji pada Lampiran 36 dan 37. Alat penukar kalor ini dirancang agar mampu memanfaatkan energi gas buang sebagai low level energy untuk proses desorpsi dari mesin pendingin adsorpsi yang telah dibuat oleh peneliti sebelumnya Ropik 00. Energi yang dibutuhkan pada proses desorpsi sebesar kw. Data hasil pengujian menunjukkan bahwa alat penukar kalor mampu memindahkan energi gas buang ke air untuk memenuhi kebutuhan proses desorpsi. Setelah merancang bangun alat penukar kalor, dilakukan perbandingan karakteristik fluida antara data rancangan dengan data hasil uji. Perbandingan karakteristik fluida berdasarkan data rancangan dengan data hasil uji tersaji pada abel 3.4.

87 55 Data abel 3.4 Perbandingan karakteristik fluida Rancangan Hasil uji Air Gas buang Air Gas Buang Unit m kg/s i K o K ρ i kg/m³ ρ o kg/m³ Ρ kg/m³ cp i J/kgK cp o J/kgK Cp J/kgK k i W/mK k o W/mK k W/mK μ i kg/s.m μ o kg/s.m μ kg/s.m pr i pr o Pr v t m/s Cmaks J/K Cmin J/K C J/K Berdasarkan data uji coba, laju aliran massa dan suhu gas buang tidak sesuai dengan data rancangan. Laju aliran massa hanya sebesar kg/s atau sekitar 9.86% dari laju aliran massa rancangan. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu : pemakaian bahan bakar per jam kurang dari l/h dan rasio udara bahan bakar kurang dari Suhu gas buang masuk sebesar o C atau sekitar 69.8% dari suhu rancangan disebabkan karena terjadi pindah panas antara gas buang dengan lingkungan. Indikator terjadinya pindah panas antara gas buang dengan lingkungan adalah energi panas yang dilepas gas buang lebih besar daripada energi panas yang diserap oleh air. Selain itu, pada waktu uji coba 0:49, suhu gas buang keluar lebih kecil dibandingkan suhu air masuk ke alat penukar kalor.

88 56 Bahasan lebih lanjut dapat dilihat pada analisa pengaruh perubahan suhu terhadap kinerja alat penukar kalor. Ketidaksesuaian laju aliran massa gas buang dan suhu masuk gas buang menyebabkan perubahan kinerja alat penukar kalor. Perbandingan kinerja alat penukar kalor berdasarkan data rancangan dengan data hasil uji dapat dilihat pada abel 3.5 abel 3.5 Perbandingan data kinerja alat penukar kalor Keterangan Kinerja Unit Rancangan Hasil uji U W/m K Δlmd Q kw Qcold kw Qhot 0.84 kw Efektivitas % NU.89.5 % o C Perbedaan kinerja alat penukar kalor data rancangan dengan data hasil uji disebabkan oleh perbedaan laju aliran massa gas buang dan suhu masuk gas buang. Perbedaan tersebut menyebabkan : penurunan log perubahan suhu ratarata penukar panas, log perubahan suhu hanya mencapai o C atau hanya mencapai 6.% dari data rancangan penurunan energi, Q alat penukar kalor sebesar 0.83 kw atau hanya 8.8 % dari data rancangan, Q air sebesar 0.83 atau hanya 84.69% dari data rancangan, dan Q gas buang sebesar 0.84 kw atau 84% dari data rancangan. Efektivitas alat penukar kalor data rata-rata uji coba lebih besar daripada data rancangan, karena perbandingan selisih suhu air keluar dan air masuk dengan selisih gas buang masuk dan air masuk lebih besar dibandingkan dengan data rancangan. Perubahan efektivitas alat penukar kalor berbanding lurus dengan perubahan NU, sehingga NU data rata-rata uji coba lebih besar daripada NU data rancangan. Perhitungan Efisiensi Eksergi. Perhitungan efisiensi eksergi bertujuan untuk menganalisa kemampuan alat penukar kalor untuk memanfaatkan energi tersedia. Dasar perhitungan eksergi adalah data entalpi, eksergi, dan suhu fluida

89 57 dan suhu lingkungan. Perhitungan eksergi alat penukar kalor tersaji pada Lampiran 5 dan. Perbandingan perhitungan efisiensi eksergi berdasarkan data rancangan dan data hasil uji tersaji pada abel 3.6 dan 3.7. abel 3.6 Data desain perhitungan eksergi berdasarkan data rancangan H S Ex m η Ex Keterangan K kj/kg kj/kgk kj/kg kg/s % Masuk Gas buang Keluar Masuk Air Keluar abel 3.7 Data perhitungan eksergi berdasarkan data rata-rata hasil uji H S Ex m η Ex Keterangan K kj/kg kj/kgk kj/kg kg/s % Masuk Gas buang Keluar Masuk Air Keluar Berdasarkan tabel di atas, efisiensi eksergi berdasarkan data rancangan sebesar 4.07% dan efisiensi eksergi data rata-rata hasil uji sebesar.54%. Efisiensi eksergi rancangan lebih besar karena perbedaan suhu fluida dengan suhu lingkungan lebih besar dibandingkan data rata-rata uji coba. Data rancangan suhu gas buang masuk dan keluar berturut-turut 300 o C dan 48 o C, suhu air masuk dan keluar gas buang berturut-turut 80.9 o C dan 85 o C. Data rata-rata hasil uji suhu gas buang masuk dan keluar o C dan 73. o C, suhu air masuk dan keluar 70.6 o C dan o C. Perbedaan suhu masuk dan keluar fluida di alat penukar kalor menyebabkan perbedaan nilai entalpi dan entropi fluida itu sendiri. Semakin tinggi suhu, maka semakin besar nilai entalpi, sehingga eksergi cenderung meningkat. Selain itu, selisih suhu masuk dan keluar fluida dari alat penukar kalor turut mempengaruhi efisiensi eksergi, semakin besar selisih suhu masuk dan keluar fluida, maka semakin besar efisiensi eksergi. Perbedaan suhu fluida dengan lingkungan dan selisih suhu fluida masuk dan keluar merupakan dua faktor yang tidak terpisahkan.

90 58 Pengaruh Perubahan Suhu erhadap Kinerja APK. Pengaruh kinerja alat penukar kalor dipengaruhi oleh perubahan suhu pada sistem yang meliputi perubahan suhu air dan perubahan suhu gas buang. Pada penelitian ini menganalisa perubahan kinerja generator, yang meliputi: log perubahan suhu total, efektivitas, dan eksergi efisiensi. Analisa kinerja alat penukar kalor tersaji pada gambar berikut. Suhu oc Kinerja Δ lmtd = 0.3 o C ε = 5.9% η Ex = 3.48% 0 Jarak m Log. Perubahan suhu gas buang oc Log. Perubahan suhu air oc Gambar 3.5 Hubungan perubahan suhu terhadap kinerja APK, data Pengaruh perubahan suhu terhadap kinerja alat penukar kalor pada data 6 dan 9 Agustus 007 tidak dapat dihitung, karena sistem tidak bekerja dengan baik, sehingga suhu gas keluar lebih kecil dibandingkan suhu air masuk. Hal itu disebabkan oleh dua faktor, yaitu terjadinya pindah panas antara gas buang dengan lingkungan, sehingga suhu gas buang keluar lebih kecil dibandingkan suhu air masuk proses pembakaran umpan kayu di gasifier tidak berjalan terus menerus, sehingga suhu gas buang turun drastis. Berdasarkan kedua data di atas, log perubahan suhu total tidak berbanding lurus dengan efisiensi eksergi. Namun efektivitas berbanding lurus dengan efisiensi eksergi. Grafik hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi per waktu tersaji pada gambar berikut.

91 59 % ' 30' 45' 60' 75' 90' 05' Waktu menit ke- Efektivitas % Efisiensi eksergi % Gambar 3.6 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data % ' 30' 45' 60' 75' 90' 05' Waktu menit ke- Efektivitas % Efisiensi eksergi % Gambar 3.7 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data % ' 30' 45' 60' 75' 90' 05' Efektivitas % Efisiensi eksergi % Waktu menit ke- Gambar 3.8 Hubungan efektivitas dengan efisiensi eksergi, data

92 60 Berdasarkan ketiga grafik di atas, selang efektivitas alat penukar kalor untuk masing-masing percobaan berturut-turut adalah %, %, dan %. Sedangkan selang eksergi berturut-turut adalah %, %, dan %. Data hasil uji 6 Agustus 007, efektivitas alat penukar kalor paling rendah yaitu antara % dan efisiensi eksergi juga paling rendah yaitu antara %. Data hasil uji 30 Agustus 007, efektivitas alat penukar kalor paling tinggi yaitu antara % dan efisiensi eksergi juga paling tinggi yaitu antara %. Berdasarkan perbandingan ketiga data hasil uji, maka efektivitas alat penukar kalor berbanding lurus dengan efisiensi eksergi. Semakin tinggi efektivitas, maka pemanfaatan eksergi semakin besar, sehingga efisiensi eksegi semakin besar. Perbedaan nilai efektivitas alat penukar kalor dan efisiensi eksergi pada ketiga data hasil uji disebabkan oleh laju aliran gas buang yang tidak stabil dan sistem yang tidak terisolasi dengan baik. Oleh karena itu untuk penelitian selanjutnya laju massa gas buang harus stabil dan sistem alat penukar kalor harus terisolasi dengan baik.

93 6 Simpulan. Perhitungan optimasi diameter pipa dengan menggunakan persamaan polinomial pangkat empat, dipilih dimeter pipa mm, sehingga diperoleh luas permukaan sentuh 0. m, bilangan Reynold 3. x 0 5, koefisien gesekan fluida dengan pipa bagian dalam , dan koefisien pindah panas menyeluruh U 37.8 W/m.K, namun suhu air keluar lebih rendah dari suhu yang dibutuhkan.. Laju massa gas buang hasil uji sebesar kg/s, lebih kecil dibandingkan laju massa rancangan sebesar kg/s saat mesin bekerja 5%. Penurunan laju massa karena pemakaian bahan bakar per jam kurang dari liter/h dan rasio udara bahan bakar kurang dari Perbedaan laju massa gas buang dan suhu masuk gas buang menyebabkan berbagai perubahan, antara lain penurunan log perubahan suhu rata-rata penukar panas, log perubahan suhu hanya mencapai o C atau hanya mencapai 6.% dari data rancangan penurunan energi, kemampuan pindah panas alat penukar kalor hanya sebesar 0.83 kw atau hanya 8.8% dari data rancangan, panas yang diserap air sebesar 0.83 kw atau hanya 84.69% dari data rancangan, dan panas yang dilepas gas buang sebesar 0.84 kw atau 84% dari data rancangan 3 penurunan eksergi, efisiensi eksergi data rata-rata hasil uji sebesar.54%, atau hanya mencapai 5% dari data rancangan. 4. Pada data hasil uji 6 Agustus 007, log perubahan suhu sebesar 5.44 o C dan efisiensi eksergi sebesar 4.75%. Sedangkan data hasil uji 30 Agustus 007, log perubahan suhu sebesar 0.3 o C dan efisiensi eksergi sebesar 3.48%. Berdasarkan kedua data di atas, log perubahan suhu total tidak berbanding lurus dengan efisiensi eksergi, karena log perubahan suhu tidak menunjukkan pemanfaatan eksergi secara langsung. 5. Data hasil uji 30 Agustus 007, efektivitas alat penukar kalor paling tinggi antara % dan efisiensi eksergi juga paling tinggi antara %. Berdasarkan perbandingan ketiga data hasil uji, maka efektivitas alat penukar kalor berbanding lurus dengan efisiensi eksergi. Semakin tinggi

94 efektivitas, maka pemanfaatan eksergi semakin besar, sehingga efisiensi eksegi semakin besar. 6 Saran. Data rancangan laju massa gas buang harus mendekati laju massa gas buang real, sehingga kemampuan alat penukar kalor sesuai dengan rancangan.. Sistem alat penukar kalor sebaiknya terisolasi sempurna, sehingga pindah panas antara gas buang dengan lingkungan tidak terjadi. Dengan demikian, perhitungan eksergi, efektivitas, dan log perubahan suhu dapat mencerminkan kondisi yang sebenarnya. 3. Optimasi alat penukar kalor akan lebih baik jika laju massa air dapat diubah, sehingga dapat diketahui laju massa optimal yang dibutuhkan oleh alat penukar kalor.

95 4 MESIN PENDINGIN ADSORPSI Pendahuluan Pendinginan merupakan suatu proses pengeluaran panas dari suatu benda dibawah suhu lingkungannya. Dalam penanganan pasca panen, proses pendinginan digunakan untuk menekan laju kerusakan selama penyimpanan. Langkah pertama dalam penanganan pasca panen adalah pra-pendiginan. Pra-pendinginan adalah proses menurunkan suhu komoditi hingga mencapai suhu aman simpan komoditi tersebut secepat mungkin. Jenis mesin pendingin diklasifikasikan menjadi mesin pendingin konvensional dan mesin pendingin adsorpsi. Mesin pendingin konvensional menggunakan energi mekanik untuk menggerakkan kompresor, sedangkan mesin pendingin adsorpsi memanfaatkan energi panas sebagai pengganti proses kompresi. Unit mesin pendingin adsorpsi terdiri dari generator desorpsi, kondensor, receiver, generator adsorpsi, dan evaporator. Proses pemanasan, selama periode ini, adsorber menerima energi dalam bentuk panas dari aliran air yang melalui alat penukar panas, sehingga suhu dan tekanan adsorber meningkat menjadi suhu dan tekanan generator. Periode ini sama dengan proses kompresi pada sistem refrigerasi kompresi uap konvensional. Proses pemanasan, desorpsi, dan kondensasi, selama periode ini, adsorber menerima panas secara terus-menerus, karena terhubung dengan kondensor. Suhu Adsorber terus meningkat sehingga metanol berubah fasa dari cair menjadi uap dan secara bersamaan diembunkan di kondensor. Periode ini sama dengan proses kondensasi pada sistem konvensional. Proses pendinginan dan penurunan tekanan, selama perioda ini, adsorber melepaskan panas. Suhu adsorbat menurun, sehingga tekanan menurun dari tekanan kondensasi ke tekanan pengembunan. Periode ini sama dengan proses ekspansi pada sistem kompresi konvensional. Proses pendinginan, adsorpsi, dan penguapan, selama perioda ini, adsorber terus menerus melepaskan panas sewaktu terhubung dengan evaporator. Suhu adsorbat dalam generator adsorpsi terus menurun. Adsorbat menguap di evaporator. Panas evaporator disuplai dari suhu rendah. Periode ini sama dengan penguapan pada sistem kompresi konvensional.

96 64 Pada beberapa tahun belakangan ini, melalui Protokol Montreal dan Protokol Kyoto, penggunaan CFC sebagai refrigeran sudah tidak diperkenankan lagi, karena merusak lingkungan. Sistem pendingin adsorpsi mendapat perhatian yang semakin besar untuk dikembangkan karena ramah lingkungan dan cukup efektif. Selain massalah lingkungan, sistem adsorpsi juga dapat dikatakan unggul dalam hal penggunaan energi, karena memanfaatkan panas sebagai penggeraknya. Panas sering dianggap sebagai low level energy. Perkembangan mesin pendingin adsorpsi telah diketahui pada tahun 80-an dimana M. Pons dan J.J Guilleminot 98 membuat alat mesin pendingin dengan mengunakan pasangan zeolit-air dan pasangan aktif carbon-metanol. Sokoda dan Suzuki 984 dan Critoph et al 997 menggunakan pasangan silicagel-air dengan sumber panas dari energi surya serta K. Oertel, M. Fisher 997 menggunakan pasangan metanol-silicagel dengan sumber panas hybrid solar energi dan panas gas buang mesin Diesel. Siegfried Kreussler dan Detlef Bolz melakukan penelitian mesin pendingin sebesar 350 kj/kg zeolit dengan COP K. Sumanthy 999 melakukan percobaan alat pendingin solar energi dengan pasangan aktif karbon-metanol, dan berhasil membuat es sebanyak 4 kg/hari dengan luas kolektor 0.9 m. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung kebutuhan energi pada proses desorpsi dan analisa eksergi pada proses desorpsi. Pendekatan eori Pemilihan Fluida Kerja Mesin Pendingin Adsorpsi. Secara umum, sistem pendingin yang memanfaatkan energi panas terbagi menjadi dua yaitu absorpsi dan adsorpsi. Pada massa sekarang unit absorpsi didominasi oleh sistem Water-Lithium Bromide H O-LiBr, yang digunakan untuk aplikasi mesin pendingin ruangan, dengan COP sebesar 0.7 untuk single efek dan. untuk double efek Oertel et al, 996. Adsorbent adalah bahan yang memiliki kemampuan untuk menyerap gas atau uap, sementara adsorbate adalah sesuatu yang diserap oleh adsorbent. Pasangan adsorbate-adsorbent yang sering digunakan adalah amonia-active carbon, metanol-silikagel, air-silikagel. Air-silicagel dan metanol-silikagel

97 65 merupakan pasangan yang ideal untuk suhu operasi antara o C, tetapi air tidak cocok digunakan pada sistem yang bekerja pada titik beku air 0 o C. Sistem pendingin adsorpsi amonia-air NH 3 -H O umumnya membutuhkan suhu yang rendah, tetapi kebutuhan suhu pemanasan lebih besar dari 0 0 C untuk steam dan C untuk exhaust gas, sehingga perlu teknologi pendingin yang baru, dimana operasinya menggunakan suhu rendah sebagai sumber panasnya. Pada penelitian ini mengunakan metanol-silikagel sebagai pasangan adsorbate-adsorbent. Metanol sebagai fluida yang diserap adsorbate dan silicagel sebagai media penyerap adsorbent. Metanol-silikagel dipilih karena pada proses pelepasan uap metanol dari silikagel hanya membutuhkan energi panas pada suhu rendah. Model Persamaan ermodinamik Siklus Adsorpsi. Siklus adsorpsi merupakan siklus energi dalam bentuk pemasukan panas ke generator desorber, sehingga dapat mengurangi polusi yang dihasilkan. Instalasi mesin pendingin adsorpsi dapat dilihat pada Gambar 4.. KONDENSOR VALVE OPENED Desorbtion HEA EXCHANGER REFRIGERAN MEHANOL VALVE CLOSED HEA EXCHANGER RECEIVER HREEWAY VALVE VALVE CLOSED POMPA VAKUM VALVE OPENED Adsorbtion POMPA SENRIFUGAL EVAPORAOR POMPA SENRIFUGAL ke Atmosfir Heat Source CHILLED WAER COOLING OWER EXHAUS GAS Gambar 4. Instalasi mesin pendingin adsorpsi.

98 66 Sistem pendingin adsorpsi terdiri dari desorber generator yang berfungsi melaksanakan proses pertukaran energi pada suhu tinggi adsorber berfungsi menukar panas dengan sumber dingin pada suhu rendah 3 kondensor berfungsi melepaskan energi dalam bentuk panas dengan fluida lain 4 evaporator berfungsi menyerap energi dalam bentuk panas dari fluida lain pada suhu rendah. Oertel at al 997 menyatakan siklus adsorpsi secara umum terbagi dari empat siklus kerja dapat dilihat pada diagram P--X siklus kerja mesin adsorpsi berikut ini : Ln P 00 % P c X X 3 P e 4 e c a g a g Gambar 4. Diagram P--X. Proses pemanasan - generator dengan konsentrasi X dipanaskan dari suhu awal a ke suhu g dengan tekanan P c, ini merupakan tekanan pada suhu kondensor, dengan beberapa asumsi berikut : tidak terjadi desorpsi sampai tekanan kondensor meningkat, pemanasan generator dalam keadaan volume konstan, dan panas sensible dari gas adsorbate metanol sangat kecil dan diabaikan. Proses desorpsi -3, refigeran yang berekspansi melepaskan dari adsorben pada tekanan konstan kondensor P c dan secara serempak generator dipanaskan sampai suhu maksimum g, dengan asumsi; semua refrigeran yang lepas dari adsorben masuk ke dalam kondensor untuk kemudian mengembun. Proses pra pendinginan 3-4, generator dengan konsentrasi rendah X mengalami penurunan suhu pada massa adsorben, dan tekanan menurun dari P c ke P e. Proses adsorpsi 4-, generator mulai menyerap kembali uap refrigeran

99 pada tekanan konstan P e, selama penguapan terjadi penurunan suhu adsorben dari a ke a. Penelitian ini mencari persamaan empirik untuk pendekatan hubungan ekanan p, konsentrasi X, dan suhu adsorben dalam berbagai variasi. Pembuatan persamaan berdasarkan data dan gambaran grafik dari Oetler yang diimplementasikan dalam model empirik. Beberapa persamaan lain juga didapat dari kurva metanol murni. X, s 4. s = A exp B Keterangan : : suhu dari adsorben C s : suhu jenuh dari refrigeran C A : variable, fungsi dari suhu adsorbent B : variable, fungsi dari suhu adsorbent A = a. e a a :.45E-9 b : B : a + b + c + d 3 + e 4 + f 5 a : b : c : d : e : -6.46E-06 : 3.66E-09 f 67 Panas Laten Adsorpsi dan Desorpsi. Panas laten adsorpsi dan desorpsi dapat diperoleh dari persamaan Clausius-Clapeyron: d h ln p = d R 4. Keterangan: P : tekanan dari adsorben silica gel/generator,

100 68 R : tetapan gas untuk uap metanol : suhu adsorben. Panas yang diperlukan untuk proses adsorpsi dan desorpsi dapat ditentukan sesuai dengan jumlah massa refrigeran. Dari persamaan 4. dapat diperoleh hubungan s sebagai berikut: =, A X Ln B s s 4.3 Subsitusi persaman 4. dan 4.3 sehingga didapatkan hubungan P dan s sebagai berikut: =, ln ln A X B C A p s 4.4 Diferensiasi persamaan 4.4 sehingga didapat persamaan sebagai berikut: = ln A X B C A d d ln ln A d d A B C A X B C B d d A X B C =, ln A X B s s 4.6 Subsitusikan persamaan 4.5 dan 4.6 sehingga menjadi : R h A d d A B B d d B C s s = , e a e e h A d d A B B d d B CR = Persamaan panas laten jenis desorpsi h d sebagai berikut:, c d c c h A d d A B B d d B CR = Panas laten adsorpsi dan desorpsi sebagai berikut: =, a a e sg a a d X m h H δ δ 4.0 =, g g c sg d d d X m h H δ δ 4.

101 69 Keterangan: m sg : massa adsorben silika gel, kg. Pendugaan Suhu g dan a. Pendugaan suhu akhir proses desorpsi pemanasan dan akhir proses adsorpsi pendinginan didasarkan pada asumsi diagram PX berikut ini: e a c g X X,, = 4. e a c g X X,, = 4.3 Persamaan suhu sebagai berikut: =, ln g e a g c g A X B 4.4 =, ln g c g g e g A X B 4.5 Dari hubungan sifat tekanan jenuh p dengan suhu uap jenuh refrigeran s berlaku persamaan Antoine untuk tekanan uap komponen murni sebagai berikut: C K B A kpa P + = ln 4.6 Untuk metanol : ln + = P 4.7 Untuk air : ln + = P 4.8 Garis proses dari titik satu ke titik dua dan dari titik tiga ke titik empat pada diagram PX dapat digambarkan dengan menggunakan persamaan berikut: 4.9 = ln, ln ln 34 g g g A p A C X B p A C p 4.0 = ln, ln ln a a a A p A C X B p A C p

102 70 Panas Sensible. Perhitungan panas sensible dari bahan silikagel merupakan energi panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu metanol dan silikagel dari awal pemanasan generator desorpsi sampai dengan penguapan metanol. Panas sensible dari adsorben, g Q = Cp m d 4. sg a sg sg Keterangan : Cp sg : panas spesifik dari adsorben yang berubah terhadap suhu, tetapi untuk menyederhanakan perhitungan, nilai Cp sg = 740 J/kg K m sg : massa adsorber silikagel dalam generator. Panas sensible dari generator g Q = Cp m d 4. g a g g Keterangan : Cp g : panas spesifik generator stainless steel, Cp dianggap konstan m g : massa generator Panas sensible dari refrigeran dapat dihitung dengan persamaan berikut: g d + m c x, Q = m x c d 4.3 m a m v, m g g m Keterangan : c v,m : panas spesifik cairan metanol pada volume konstan, c p,m : panas spesifik metanol pada tekanan konstan dan X = X a, e p, m c Model Matematik Pindah Panas Proses Desorpsi. Pemodelan matematik selama proses desorpsi menggambarkan fenomena pindah panas dari air pemanas ke dinding generator secara konveksi, kemudian diteruskan ke butir-butir silika gel secara konduksi sampai seluruh metanol yang terkandung dalam butir-butir silikagel menguap. Energi adalah sesuatu yang dapat menghasilkan gerak, terdiri

103 7 atas eksergi dan entropi. Eksergi adalah kualitas energi yang digunakan untuk melakukan kerja. Sedangkan entropi adalah bagian dari energi yang mengalami perubahan wujud energi dan tidak melakukan kerja. Energi, eksergi, dan entropi pada sistem generator desoprsi tergantung pada model fisik pindah panasnya. Model fisik pindah panas pada generator desorpsi dapat dilihat pada Gambar 4.3. Gambar 4.3 Model fisik generator desorpsi. Keseimbangan Massa. Proses desorpsi di generator pelepasan metanol dari silikagel membutuhkan energi yang diperoleh dari aliran air panas dari dua arah, masing masing dari sisi luar dan dalam generator, persamaan keseimbangan massa sebagai berikut: massa air masuk = massa air keluar m w, in mw, in = mw, out + mw, out Kesetimbangan Energi. Untuk mengembangkan model matematik pindah panas dari air ke silikagel-metanol selama proses desorpsi, dapat didekati dengan hukum pertama termodinamik tentang kesetimbangan energi di generator, diasumsikan kondisi aliran metanol tidak tunak unsteady flow. Hal ini disebabkan karena proses desorpsi diikuti dengan proses kondensasi secara serempak,