KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET OTTO DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM DAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT

Transkripsi

1 KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET OTTO DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM DAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik AGUSTINUS SITIO NIM : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014

2 Abstrak Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob yang berasal dari limbah rumah tangga kotoran hewan (sapi, babi, ayam) dan sampah organik termasuk POME. POME merupakan kondensat dari proses sterilisasi cairan yang berasal dari pengolahan kelapa sawit menjadi crude palm oil. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui performasi bahan bakar biogas dan kemudian membandingkannya dengan bahan bakar premium. Performansi yang dimaksud meliputi daya, torsi, konsumsi bahan bakar spesifik, efisiensi termal, rasio udarabahan bakar, emisi gas buang dan hasil pembakaran pada busi. Pengujian dilakukan dengan menggunakan variasi beban lampu 100W, 200W, 300W, 400W, dan 500W. Penelitian ini memanfaatkan biogas yang diproduksi dari limbah cair kelapa sawit untuk digunakan sebagai bahan bakar pada mesin genset otto4- langkah STARKE tipe GFH1900LX dengan daya puncak 1,3 kw, daya rata- rata 1,0 kw, bore 55 mm, stroke 40 mm, V d m 3, V c m 3, rasio kompresi 10,5 : 1, dan jumlah silinder 1 silinder. Dari hasil pengujian didapat pada penggunaan bahan bakar biogas terjadi penurunan daya, torsi, efisiensi termal brake, AFR, kadar emisi gas CO dan O 2. Sementara itu terjadi peningkatan nilai sfc, kadar emisi gas HC dan gas CO 2. Kata kunci : AFR, biogas, daya, efisiensi termal brake,emisi gas buang, pome, sfc, torsi

3 Abstract Biogas is flammable gas produced from the fermentation of organic matter by anaerobic bacteria derived from household waste manure ( cow, pig, chicken ) and organic waste including POME. POME is a condensate of the sterilization process liquid derived from palm oil processing into crude palm oil. The purpose of this study to determine performasi biogas fuel and then compare it with premium fuel. Performance may include power, torque, specific fuel consumption, thermal efficiency, air-fuel ratio, exhaust emissions and combustion in spark plugs. Testing is done by using a variation of the lamp load 100W, 200W, 300W, 400W, and 500W. This study utilizes the biogas produced from palm oil wastewater to be used as fuel in the generator engine 4-stroke otto Starke GFH1900LX type with 1.3 kw peak power, average power 1.0 kw, bore 55 mm, stroke 40 mm, Vd mm 3, V c mm 3, the ratio of compression 10.5 : 1, and just 1 cylinder. From the test resultshowed the value of power, torque, brake thermal efficiency, AFR, emission levels of CO and O 2 decreases. Meanwhile an increase in the value of sfc, emissions of HC and CO 2. Keywords : AFR, biogas, power, brake thermal efficiency, exhaust emissions, pome, sfc, torque

4 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas segala rahmat dan karunia-nya yang telah memberikan berkat kesehatan dan hikmat kepada penulis sehingga penelitian ini dapat dilaksanakan dan diselesaikan dengan baik sesuai dengan waktu yang telah direncanakan. Skripsi berjudul Kajian Performansi Mesin Genset Otto Dengan Bahan Bakar Biogas dan Premium, disusun untuk memperoleh gelar SarjanaTeknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih setinggi-tingginya dan tak terhingga kepada yang terhormat : 1. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 3. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak Dr.Eng. IrvanMSi. dan Bapak Ir. Bambang Trisakti MT selaku dosen yang bertanggung jawab di LP3M USU tempat dimana penulis melaksanakan penelitian. 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin. 6. Abangda Suprihatin dan Abangda Andryan selaku Laboran Laboratorium Prestasi Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah banyak memberikan arahan kepada penulis selama pengujian di laboratorium. 7. Bapak Sudarto dan Bapak Hendriono beserta segenap karyawan Auto2000 SM Raja yang telah memberikan bantuan dalam pengujian emisi gas buang motor bakar.

5 8. Kedua orang tua penulis, Ayahanda J. Sitio dan Ibunda O.Sihombing, serta saudara penulis Christianto, Maruli, dan Nelly atas kasih sayang, doa dan dukungan yang tidak berkesudahan kepada penulis. 9. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2009 juga temanteman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis. Solidarity Forever Penulis telah berupaya semaksimal mungkin, namun penulis menyadari masih banyak kekurangannya, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi sempurnanya skripsi ini. Kiranya skripsi ini dapat bermanfaat dalam memperkaya khasanah ilmu pengetahuan. Medan, Juli 2014 Penulis Agustinus Sitio NIM

6 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Batasan Masalah Metodologi Penulisan Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Bahan Bakar Premium dan Biogas Sejarah Bahan Bakar Premium Sejarah Bahan Bakar Biogas Sifat-sifat Premium dan Biogas Sifat-sifat Premium Sifat-sifat Biogas Nilai Kalor Premium dan Biogas Nilai Kalor Premium Nilai Kalor Biogas Proses Produksi Premium dan Biogas Proses Produksi Premium Proses Produksi Biogas Manfaat Premium dan Biogas dalam Kehidupan Manfaat Premium dalam Kehidupan Manfaat Biogas dalam Kehidupan... 19

7 2.6 Permasalahan Premium dan Biogas Sebagai Bahan Bakar Mesin Permasalahan Premium Sebagai Bahan Bakar Mesin Permasalahan Biogas Sebagai Bahan Bakar Mesin POME (Palm Oil Milf Effluent) Pengelolaan POME menjadi Biogas di LP3M USU Mesin Otto Empat Langkah Performansi Motor Bakar Torsi dan Daya Konsumsi Bahan Bakar (sfc) Efisiensi Thermal Rasio Udara - Bahan Bakar (AFR) Pembakaran pada Mesin Otto Karburator Penyalaan dengan Bunga Api Saat Penyalaan dan Pembakaran Generator Set Tipe Generator Set Emisi Gas Buang Sumber Komposisi Kimia Bahan Penyusun BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu Dan Tempat Alat Dan Bahan Alat Bahan Metode Pengumpulan Data Metode Pengolahan Data Pengamatan Dan Tahap Pengujian Prosedur Pengujian Performansi Mesin Otto Generator Set Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang... 61

8 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Daya Analisa Perhitungan Daya Menggunakan Bahan Bakar Premium Analisa Perhitungan Daya Menggunakan Bahan Bakar Biogas Perbandingan Daya yang dihasilkan Premium dan Biogas Torsi Analisa Perhitungan Torsi Menggunakan Bahan Bakar Premium Analisa Perhitungan Torsi Menggunakan Bahan Bakar Biogas Perbandingan Torsi yang dihasilkan Premium dan Biogas Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) Analisa Perhitungan Bahan Bakar Spesifik Menggunakan Bahan Bakar Premium Analisa Perhitungan Bahan Bakar Spesifik Menggunakan Bahan Bakar Biogas Perbandingan Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Menggunakan Bahan Bakar Premium dan Biogas Efisiensi Thermal Analisa Perhitungan Efisiensi Thermal Menggunakan Bahan Bakar Premium Analisa Perhitungan Efisiensi Thermal Menggunakan Bahan Bakar Biogas Perbandingan Efisiensi Thermal Brake Premium dan Biogas Rasio Udara-Bahan Bakar (AFR) Analisa Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar

9 Premium Analisa Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Biogas Perbandingan AFR Menggunakan Bahan Bakar Premium dan Biogas Analisa Ekonomi Hasil Pembakaran Pengujian Emisi Gas Buang Emisi Gas Buang Bahan Bakar Premium Emisi Gas Buang Bahan Bakar Biogas Analisa Perbandingan Kadar Gas Buang Analisa Perbandingan Kadar CO Pada Gas Buang Analisa Perbandingan Kadar HC Pada Gas Buang Analisa Perbandingan Kadar CO 2 Pada Gas Buang Analisa Perbandingan Kadar O 2 Pada Gas Buang BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xvi LAMPIRAN... xvii

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Perbandingan produksi dan konsumsi minyak Indonesia... 1 Gambar 2.1 Stage anaerobic digestion Gambar 2.2 Flowsheet Produksi Biogas Gambar 2.3 Langkah-langkah mesin otto 4 tak Gambar 2.4 Diagram P-v dan T-s Siklus Otto Ideal Gambar 2.6 Dampak dari pendahulu kontak Gambar 2.6 Diagram jika pengapian terlalu cepat atau lambat Gambar 2.7 Generator Set Gambar 3.1 Tangki Umpan Gambar 3.2 Bioreaktor Gambar 3.3 Tangki Pengendapan Gambar 3.4 Tangki Penampungan Biogas Gambar 3.5 Kompresor Gambar 3.6 Control Panel Gambar 3.7 Genset STARKE Tipe GFH1900LX Gambar 3.8 Alat uji emisi Sukyong SY-GA Gambar 3.9 Tachometer Gambar 3.10 Multimeter Gambar 3.11 Botol bahan bakar Gambar 3.12 Modifikasi Karburator Gambar 3.13 Manometer Gambar 3.14 Regulator variable dan Katup Gambar 3.15 Diagram Alir Pengujian Performansi Premium

11 Mesin Otto Generator Set Gambar 3.16 Diagram Alir Pengujian Performansi Biogas Mesin Otto Generator Set Gambar 3.17 Diagram Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang Gambar 4.1 Grafik Putaran Keluaran (rpm) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.2 Grafik Daya Keluaran (W) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.3 Grafik Torsi (N.m) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.4 Grafik Sfc (g/kw.h) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Termal (%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.6 Grafik AFR vs Putaran (rpm) tiap bahan bakar Gambar 4.7 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar premium Gambar 4.8 Busi yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar biogas Gambar 4.9 Grafik Kadar CO(%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.10 Grafik Kadar HC(ppm) vs Jumlah beban lampu tiap bahan bakar Gambar 4.11 Grafik Kadar CO 2 (%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan Bakar Gambar 4.12 Grafik Kadar O 2 (%) vs Jumlah beban lampu tiap bahan

12 bakar

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Persentasi dari penyusun biogas yang dihasilkan digester... 8 Tabel 2.2 Sifat-sifat umum biogas... 9 Tabel 2.3 Nilai LHV biogas tiap %CH 4 yang dikandungnya Tabel 2.4 Komposisi Kimia Limbah Cair POME Tabel 2.5 Karakteristrik Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Tabel 3.1 Spesifikasi Tangki Umpan dan Aksesorisnya Tabel 3.2 Spesifikasi Fermentor dan Aksesorisnya Tabel 3.3 Spesifikasi Tangki Pengendapan Tabel 3.4 Spesifikasi Tangki Penampung Biogas Tabel 3.5 Spesifikasi Kompresor dan Tangki Bertekanan Tabel 4.1 Daya hasil pengujian dengan bahan bakar Premium Tabel 4.2 Daya hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas Tabel 4.3 Perbandingan daya yang dihasilkanbahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.4 Torsi hasil pengujian dengan bahan bakar Premium Tabel 4.5 Torsi hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas Tabel 4.6 Perbandigan torsi yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.7 Sfc hasil pengujian dengan bahan bakar Premium Tabel 4.8 Sfc hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas... 76

14 Tabel 4.9 Peningkatan sfc yang dihasilkan bahan bakar premium terhadap biogas Tabel 4.10 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar Premium Tabel 4.11 Efisiensi thermal hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas Tabel 4.12 Penurunan efisiensi thermal yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.13 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar Premium Tabel 4.14 AFR hasil pengujian dengan bahan bakar Biogas Tabel 4.15 Perbandingan AFR yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.16 Emisi bahan bakar Premium Tabel 4.17 Emisi bahan bakar Biogas Tabel 4.18 Penurunan kadar CO yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.19 Penurunan kadar HC yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.20 Peningkatan kadar CO 2 yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium Tabel 4.21 Penurunan kadar O 2 yang dihasilkan bahan bakar biogas terhadap premium

15 DAFTAR NOTASI SIMBOL AFR KETERANGAN Rasio massa udara-bahan bakar SATUAN HHV Nilai kalor atas kj/kg LHV Nilai kalor bawah kj/kg m a Massa udara kg m a Laju aliran massa udara kg/s m f Massa bahan bakar kg m f Laju aliran bahan bakar kg/jam n Putaran mesin rpm η b Effisiensi termal brake % P Daya Watt Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.h t f Waktu untuk menghabiskan bahan bakar s T Torsi keluaran mesin N.m P a Tekanan udara Pa T a Temperatur udara K V d Volume langkah torak m 3 V c Volume clearance m 3 R Konstanta gas J/kg.K Q HV Nilai kalor bahan bakar (kj/kg)