BOILER MINI TEKANAN RENDAH BERBAHAN BAKAR SAMPAH PERKEBUNAN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

Transkripsi

1 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, ISSN BOILER MINI TEKANAN RENDAH BERBAHAN BAKAR SAMPAH PERKEBUNAN UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK Dedi Suntoro, Paber Parluhutan Sinaga, Tri Anggono dan Endang Lestari Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagaan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi energi Jl. Ciledug Raya Kav. 109, Telp. (021) , Cipulir Keb. Lama, Jakarta Selatan ABSTRAK Sampah yang dihasilkan dari perkebunan cukup besar jumlahnya. Sampah tersebut mengandung kalori yang potensial sebagai bahan bakar boiler. Boiler adalah suatu bejana tertutup yang mengubah air menjadi uap dengan suhu dan tekanan tertentu. yang dihasilkan boiler digunakan untuk membangkitkan. Berdasarkan data luas areal dan produksi perkebunan Direktorat Jenderal Perkebunan, Kementerian Pertanian, salah satu komoditas terbesar adalah kelapa. Oleh karena itu P3TKEBTKE mengembangkan satu unit boiler skala laboratorium berbahan bakar limbah perkebunan kelapa. Untuk langkah awal penelitian, digunakan tempurung kelapa sebagai bahan bakar. Untuk meningkatkan kalori, tempurung kelapa dikonversi menjadi arang kelapa. Untuk menghasilkan komponen lain yang diperlukan adalah turbin uap dan generator. yang dihasilkan boiler memutar turbin uap, dan selanjutnya memutar generator dan menghasilkan daya. Uji kenerja boiler menunjukkan bahwa boiler mampu bekerja pada tekanan 10 kg/cm 2 dan suhu 182ºC. yang terukur keluar dari generator maksimal sebesar 4,09kW. Penelitian lebih lanjut terutama dalam hal sistem pembakaran dan uap superheater masih diperlukan, agar diperoleh daya yang optimal dan stabil. Kata Kunci: boiler skala laboratorium, sampah perkebunan ABSTRACT Abundant of biomass wastes have been produced by plantation and they have potential caloric for alternative boiler fuel. A boiler is an enclosed vessel that converts water into steam by a certain temperature and pressure. The steam boiler is used to generate electricity. Based on data from Directorate General of Estate Crops, Ministry of Agriculture, one of the most plantation commodities is coconut. Therefore P3TKEBTKE to develop a laboratory-scale boiler unit fired coconut s waste. The first step of research, coconut shell charcoal is used for boiler fuel. The other components to generate electricity are a steam turbine and generator. The steam boiler is used to turn a turbine, and then to rotate the generator. Boiler performance test shows that the boiler capable working for pressure10kg/cm 2 and temperature 182ºC. The maximum output of electric power generator is 4.09kW. Further research is still needed in order to obtain optimum power and stable. Key Words: laboratory-scale boiler, waste crops Naskah diterima: 31 Mei 2011, dinyatakan layak muat : 14 Juni

2 52 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, PENDAHULUAN Latar Belakang Sebagai negara agraris, Indonesia menghasilkan produk perkebunan yang beraneka ragam dan jumlah yang sangat besar. Berdasarkan data dari Direktorat Jenderal Perkebunan, Kementerian Pertanian, enam jenis komoditi perkebunan terbesar di Indonesia adalah kelapa sawit, kelapa, tebu, karet, kakao dan kopi. Pada tahun 2010, jumlah produksi kelapa sawit sebesar ton, kelapa ton, tebu ton, karet ton, kakao ton dan kopi sebesar ton. [1] Selain menghasilkan produk utama, usaha perkebunan menghasilkan produk samping berupa sampah perkebunan seperti tempurung, cangkang, kulit, serabut, ampas dan lain-lain. Sebagian sampah perkebunan diolah menjadi pupuk, kerajinan tangan dan keperluan lain, namun pada kenyatannya masih banyak sampah perkebunan yang terbuang percuma. Boiler adalah bejana tertutup yang merubah air menjadi uap bertekanan dan bersuhu tinggi dengan cara pamanasan. Boiler digunakan dalam berbagai keperluan industri, seperti pengolahan susu, pengolahan kelapa sawit, pembuatan tekstil dan pembuatan kertas. Boiler juga digunakan untuk membangkitkan. boiler di alirkan ke turbin uap sehingga berputar kemudian dihubungkan ke generator. Untuk membangkitkan, biasanya boiler bekerja pada tekanan tinggi >20 bar. Jenis bahan bakar yang umum digunakan oleh boiler adalah bahan bakar fosil, seperti batubara, minyak dan gas. Seiring dengan harga bahan bakar yang terus meningkat dan ketersediannya yang semakin berkurang, maka perlu dipikirkan jenis bahan bakar lain. Berdasarkan analisis laboratorium, sampah perkebunan potensial sebagai bahan bakar altenatif. Nilai kalori serabut dan tempurung kelapa adalah 4412 kkal/kg, kulit kakao 4007 kkal/kg, kulit pala 4739 kkal/kg, kulit kopi 4393 kkal/kg dan arang tempurung kelapa 7393 kkal/kg. Jika dibandingkan dengan batubara, nilai kalori batubara yang paling rendah (gambut) nilai kalorinya adalah 3500 kkal/kg dan batubara muda nilai kalorinya adalah 5000 kkal/kg [2]. Saat ini, telah dibangun satu unit boiler mini tekanan rendah berbahan bakar sampah perkebunan di kantor P3TKEBTKE. Boiler tersebut dirancang untuk membangkitkan daya sebesar 3kW. Spesifikasi desain boiler sebagai berikut: Jenis : boiler pipa air : 8 bar Kapasitas : 50 kg/jam Suhu uap : 165ºC Bahan bakar : arang tempurung kelapa Bagian-bagian dari boiler dapat dilihat pada gambar 1. Gambar 1. Bagian-bagian boiler

3 Boiler Mini Rendah Berbahan Bakar Sampah Perkebunan Untuk Pembangkit Listrik 53 Dimensi boiler mini pipa air dengan bahan bakar arang tempurung kelapa yang telah dibangun disajikan tabel 1 berikut ini. Jenis Pemipaan (Tubing) Tabel 1. Dimensi Boiler Riser Down Comer Chimney Jumlah Tube Diameter tube (mm) Panjang tube (mm) Jarak Pitch antar tube (mm) Sudut kemiringan (derajat) operasi luar Tube (bar) operasi dalam Tube (bar) Material Jenis Pemipaan (Tubing) Bottom Header Top Header Steam Drum Jumlah Tube Diameter dalam tube (mm) Panjang tube (mm) Sudut kemiringan (derajat) operasi luar Tube (bar) operasi dalam Tube (bar) Material diisi air kemudian bahan bakar dinyalakan. Katup uap boiler ditutup sehingga air berubah menjadi uap bertekanan dan bersuhu tinggi. Untuk mengetahui performa boiler, uap dialirkan ke turbin yang terhubung dengan generator. Generator dihubungkan dengan beban pemanas (heater) sehingga arus yang mengalir akan terukur. Parameterparameter yang diukur adalah tekanan uap, suhu uap, daya yang dihasilkan oleh boiler dan kebutuhan bahan bakar. Pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali dengan dua metode. Metode pertama adalah pembukaan katup uap penuh dan metode yang kedua adalah pembukaan katup uap setengah. Efisiensi boiler dihitung dengan membandingkan energi yang terkandung dalam uap dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler. panas keluar Efisiensi boiler (h)= x100 panas masuk % [3] HASIL DAN PEMBAHASAN Boiler mini yang telah dibangun dihubungkan ke turbin uap dan generator untuk membangkitkan terlihat pada gambar 2. Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah menguji boiler mini tekanan rendah berbahan bakar arang tempurung kelapa untuk pembangkit yang telah di bangun di kantor P3TKEBTKE. Boiler Feeder bahan bakar Pipa uap METODOLOGI Pada uji kinerja ini, boiler dijalankan pada kondisi kerja sesuai dengan desain. Boiler Generator Gambar 2. Boiler untuk pembangkit

4 54 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, Alat-alat ukur dipasang pada boiler untuk mengetahui kinerja boiler. Gambar 3 dibawah ini adalah alat ukur suhu dan tekanan uap boiler. Alat ukur ini dipasang pada pipa uap yang dihasilkan boiler menuju turbin. Gambar 3. Alat ukur tekanan dan suhu uap Listrik yang dihasilkan oleh generator dihubungkan ke beban berupa pemanas (heater) 10,8kW. Gambar 4 adalah beban pemanas. generator 1500 rpm. tidak akan terbaca apabila putaran kurang dari 1500 rpm. Listrik yang dihasilkan generator berupa arus 3 phase yang dihubungkan ke 3 beban sama rata. dihitung dengan rumus: P = V x I x 3 Dimana: V = tegangan (Volt) I = arus (Ampere) Pengujian boiler dengan jalan memanaskan boiler hingga uap mencapai tekanan desain yaitu 8 bar. Sebelum dinyalakan, boiler diisi air terlebih dahulu. Volume air yang diijinkan terlihat pada gambar 6, yaitu ¾ dari volume maksimal agar terdapat ruang untuk terbentuknya uap. Volume air maksimal Gambar 4. Beban Pemanas Besaran yang diukur adalah frekuensi, tegangan dan arus. Alat ukur tersebut dipasang pada kontrol panel yang telihat pada gambar 5. Gambar 6. Gelas penduga Bahan bakar dimasukkan lewat feeder bahan bakar ke ruang bakar, kemudian dibakar. Sementara itu blower dinyalakan untuk mensuplai udara pembakaran. Proses pembakaran terlihat pada gambar 7. Gambar 5. Kontrol panel Pada kontrol panel, yang keluar generator telah disinkronkan pada frekuensi 50 Hz dan tegangan 220 volt pada putaran Gambar 7. Proses pembakaran

5 Boiler Mini Rendah Berbahan Bakar Sampah Perkebunan Untuk Pembangkit Listrik 55 Katup uap boiler ditutup, sehingga suhu dan tekanan uap di dalam Waktu (menit ) (kg/cm 2 ) boiler naik. Hasil pengukuran kenaikan tekanan dan suhu uap boiler terhadap waktu disajikan pada tabel 2 berikut ini: Tabel 2. Kenaikan tekanan dan suhu uap (kg/cm 2 ) Waktu (menit ) Waktu (menit ) Uji 1 Uji 2 Uji 3 Uji 2 Pengujian 1 Pengujian 2 Pengujian 3 Suhu ( C) Uji Gambar 8. Grafik waktu terhadap kenaikan tekanan Suhu (C) 55 Gambar 9. Grafik waktu terhadap kenaikan suhu Berdasarkan hasil pengukuran, boiler mampu bekerja pada tekanan desain 8 bar atau 8,16 kg/cm 2. Terlihat pada tabel 2, boiler mampu bekerja baik pada tekanan 9,5 kg/cm 2. Suhu uap boiler bisa mencapai 180ºC pada tekanan 9 kg/cm 2. Sesuai standar ASME Boiler and Pressure Vessel Code, boiler harus mampu bekerja sampai 1,3 kali tekanan desain yaitu 10,4 bar atau 10,6 kg/cm 2. [3] Kenaikan tekanan uap di dalam boiler selalu diikuti oleh kenaikan suhu. Waktu yang diperlukan untuk menaikkan tekanan dan suhu semakin cepat pada suhu dan tekanan yang semakin tinggi seperti terlihat pada gambar 8 dan gambar 9. Hal ini dikarenakan proses pembakaran yang semakin baik. Pada tekanan 1 dan 2 kg/cm 2 suhu tercatat sebesar 33ºC dan 34ºC, kemungkinan panas belum mencapai alat ukur sehingga tidak terbaca. Pada tekanan mulai dari 3 kg/cm 2 sampai 9 kg/cm 2, suhu uap selalu menunjukkan suhu uap jenuh (saturated temperature) sesuai dengan ASME Steam Tables. [5] Perbandingan suhu pengujian dengan ASME steam tables disajikan pada gambar 10. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan panas pada boiler akan menaikkan jumlah uap sehingga tekanan dalam boiler naik namun tidak merubah uap jenuh (saturated steam) menjadi uap panas lanjut (superheated steam). Suhu (C) (kg/cm 2 ) Pengujian 2 Pengujian 3 Steam Tables Gambar 10. Grafik perbandingan suhu pengujian boiler dengan ASME steam tables

6 56 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, Pengujian selanjutnya adalah untuk mengetahui kinerja boiler. Pengujian ini bertujuan menghitung efisiensi dengan cara membandingkan energi output dengan energi input boiler. Pada penelitian ini output boiler dihubungkan dengan pembangkit. Pada percobaan pertama katup uap menuju turbin dibuka penuh. Hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 3, tabel 4 dan tabel 5. Tabel 3. Katup dibuka penuh Tabel 4. Katup dibuka penuh 2 Suhu [ºC] Tabel 5. Katup dibuka penuh 3 Suhu [ºC] Pada pengujian dengan pembukaan katup penuh, arus yang dihasilkan oleh boiler maksimal terlihat pada tabel 5 sebesar 6,2 A pada tekanan uap 10 kg/cm 2 dan suhu uap 182 kg/cm 2 dengan daya yang dihasilkan adalah 4,09 kw. Namun demikian hanya dalam waktu 9 menit tekanan turun menjadi 2,2 kg/cm 2 dan suhu uap turun menjadi 130ºC. Pada keadaan ini, arus tidak terbaca karena putaran generator kurang dari 1500 rpm. Pada tabel 3, waktu penurunan tekanan uap lebih lama daripada tabel 4 dan tabel 5 karena pembukaan katupnya lebih pelan. Penurunan tekanan dan suhu uap yang relatif cepat

7 Boiler Mini Rendah Berbahan Bakar Sampah Perkebunan Untuk Pembangkit Listrik 57 dikarenakan laju pembentukan uap jauh lebih kecil daripada laju pengeluaran uap untuk mengalirkan ke beban. Pada percobaan kedua, katup uap masuk turbin dibuka setengah. Hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 6, tabel 7 dan tabel 8 berikut ini: Tabel 6. Katup dibuka setengah Tabel 7. Katup dibuka setengah 2 Suhu [ºC] Tabel 8. Katup dibuka setengah 3 Suhu [ºC] Tabel 6 merupakan hasil pembukaan katup setengah secara perlahan-lahan. maksimal yang dihasilkan hanya 2,31 kw namun penurunan tekanan berlangsung lebih lama, yaitu selama 18 menit. Setelah 18 menit tekanan menjadi 3 kg/cm 2, setelah itu stabil pada tekanan 2 kg/cm 2, sementara arus tidak terbaca. Tabel 7 dan tabel 8 menunjukkan hasil pembukaan katup setengah yang lebih cepat. maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 2,38 kw pada tekanan 9,5 kg/cm 2 dan suhu 180ºC. Dalam waktu 8 menit,

8 58 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, tekanan turun menjadi 3,2 kg/cm 2 dan suhu menjadi 142ºC. Berdasarkan data pengujian diatas maka pembukaan setengah katup dan katup penuh tidak terlalu berpengaruh terhadap kestabilan daya. Namun pembukaan katup penuh menghasilkan daya maksimal yang lebih besar dibanding pembukaan katup setengah. Hal ini karena pada saat pembukaan katup penuh kapasitas uap masuk turbin lebih besar dibanding saat pembukaan setengah sehingga diperoleh daya yang lebih tinggi. Selama pengujian, bahan bakar yang dipakai sebanyak 20 kg/jam. Pada umumnya, efisiensi elektrik pembangkit dari sampah sekitar 22%. [6] Dengan asumsi efisiensi sebesar itu, boiler seharusnya bisa menghasilkan sebesar 37,8 kw. Namun pada kenyataanya daya yang dihasilkan jauh lebih kecil dari itu yaitu sebesar 4.09 kw dan tidak stabil. yang tidak stabil disebabkan oleh rugirugi yang terjadi pada proses pembangkitan. Rugi-rugi pembangkit terdiri dari rugi-rugi siklus, rugi-rugi turbin-generator, rugi-rugi peralatan tambahan dan rugi-rugi boiler. Berdasarkan data tekanan dan suhu uap boiler, uap yang masuk turbin masih dalam keadaan jenuh sehingga hal ini juga dapat memperbesar rugi-rugi turbin-generator. Untuk menaikkan efisiensi, maka uap harus dalam keadaan kering (uap panas lanjut) sehingga perlu ditambah superheater untuk membuat uap menjadi uap kering. kering mengandung entalpi jauh lebih tinggi dibanding uap jenuh. Efisiensi boiler dapat dihitung berdasarkan data pengujian tabel 2. Waktu yang diperlukan untuk menaikkan tekanan uap dari 3 kg/cm 2 menjadi 9 kg/cm 2 adalah rata-rata 41 menit. Jumlah bahan bakar untuk menaikkan tekanan dari 3 kg/cm 2 ke 9 kg/cm 2 adalah 13,67 kg. Berdasarkan steam tables, entalpi saat tekanan 3 kg/cm 2, uap jenuh adalah kj/kg. Entalpi saat tekanan 9 kg/cm 2, uap jenuh adalah kj/kg. Volume air didalam boiler 390 liter atau 390 kg. Panas yang digunakan untuk menaikkan tekanan 3 kg/cm 2 menjadi 9 kg/cm 2 : Dimana: Qout = G x D entalpi [7] G = Berat air (kg) D entalpi = entalpi akhir enthalpi awal (kj/kg) Sehingga: 601,65)kJ/kg Qout = 390 kg x (758,87 = ,8 kj Panas yang diberikan untuk menaikkan tekanan 3 kg/cm 2 menjadi 9 kg/cm 2 : Qin = Bahan bakar x nilai kalor = 13,67 kg x kkal/kg = kg x ,13 kj/kg = ,8 kj Sehingga efisiensi boiler: h = (Qout/Qin) x100% = , x100% = 14,48% Berdasarkan perhitungan diatas maka rugi-rugi pada boiler cukup besar. Rugi-rugi pada boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi gambar 11.

9 Boiler Mini Rendah Berbahan Bakar Sampah Perkebunan Untuk Pembangkit Listrik 59 Gambar 11. Neraca Energi Boiler [3] Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran panas dan energi. Pada diagram neraca energi boiler ini, tidak semua energi masuk dari bahan bakar diserap menjadi uap (steam). Sebagian energi terbuang melalui gas buang, konveksi, radiasi, blowdown dan sisa pembakaran. Pada penelitian ini neraca energi belum bisa dihitung secara rinci karena belum tercapai keadaan yang stabil. Untuk mengurangi rugi-rugi pada boiler dapat dilakukan dengan memperbaiki proses pembakaran sehingga energi yang terbawa oleh gas buang berkurang. Berdasarkan pengamatan sisa pembakaran, masih banyak arang tempurung kelapa yang tidak terbakar. Hal ini berarti proses pembakaran di dalam ruang boiler tidak terjadi sempurna. Pembakaran merupakan proses oksidasi cepat bahan bakar disertai dengan produksi panas, atau panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan bakar terjadi hanya jika ada pasokan oksigen yang cukup. Tujuan dari pembakaran yang baik adalah melepaskan seluruh panas yang terdapat dalam bahan bakar. Hal ini dapat dilakukan dengan pengontrolan suhu penyalaan bahan bakar, pencampuran oksigen dan bahan bakar yang baik, dan waktu yang cukup untuk pembakaran yang sempurna. Untuk itu perlu penelitian lebih lanjut dengan cara mengatur volume udara masuk ruang bakar agar kebutuhan udara cukup dan waktu pembakaran cukup sehingga tercapai pembakaran yang optimum. Suplai udara ke ruang bakar tidak boleh kurang dan tidak boleh lebih karena jika kurang maka pembakaran tidak terjadi sempurna sedangkan jika lebih justru akan menurunkan suhu pembakaran. Jumlah oksigen tertentu diperlukan untuk pembakaran dengan tambahan sejumlah udara (udara berlebih) untuk menjamin pembakaran yang sempurna. Saat ini, udara yang masuk ke ruang bakar boiler disuplai oleh blower yang ada di bawah rangka bakar dan ID fan yang dipasang pada cerobong asap. Agar pencampuran udara dan bahan bakar berlangsung baik, perlu ditambahkan lagi blower dari sisi atas ruang bakar. Kecepatan putar ID fan perlu diatur agar diperoleh waktu yang cukup untuk proses pembakaran. Agar suhu ruang bakar tetap terjaga di suhu tinggi, udara masuk perlu dipanaskan terlebih dahulu. Untuk itu perlu ditambah pemanas awal udara masukan (air preheater) pada boiler. Pemanasan bisa diperoleh dari gas buang boiler dengan menambahkan alat penukar kalor (heat exchanger). Selain proses pembakaran, rugirugi pada boiler dapat dikurangi dengan menambah isolasi pada dinding boiler. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

10 60 Ketenagaan Dan Energi Terbarukan, Boiler skala laboratorium berbahan bakar arang tempurung kelapa mampu beroperasi pada tekanan 10 kg/cm 2 dan suhu 182 C. Dari pengujian diketahui boiler bisa menghasilkan daya sampai 4,09 kw namun belum stabil karena tekanan dan kapasitas uap belum stabil dan optimal. [7] Djokosetyardjo, M.J Ketel.Cetakan 4. Jakarta. PT Pradnya Paramita. Saran Untuk menghasilkan tekanan dan kapasitas uap yang stabil dan optimal, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut terutama dalam hal sistem pembakaran dan uap panas lanjut. DAFTAR ACUAN [1] Direktorat Jenderal Perkebunan, Kementerian Pertanian, Luas Areal dan Produksi Perkebunan Seluruh Indonesia Menurut Pengusahaan. Diakses tanggal 1 April 2011dari [2] Mu in, Syamsir A Pesawat-pesawat Konversi Energi I. Jakarta. CV. Rajawali. [3] United Nations Environment Programme Boiler dan Pemanas Fluida Termis. Diakses tanggal 15 April 2010 dari [4] ASME ASME Boiler and Pressure Vessel Code VIII.New York. [5] Babcock & Wilcox Steam Its Generation and Use. 40 th edition. Ohio- USA. The Babcock & Wilcox Company. [6] IEA Energy Technologies Biomass for Power Generation and CHP. Diakses tanggal 15 April 2011 dari