PEMANFAATAN BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKAR UNTUK PEMBAKARAN KERAMIK DENGAN MENGGUNAKAN TEKNOLOGI GASIFIKASI

Transkripsi

1 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : ISSN PEMANFAATAN BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKAR UNTUK PEMBAKARAN KERAMIK DENGAN MENGGUNAKAN TEKNOLOGI GASIFIKASI UTILIZATION OF BIOMASS AS A FUEL FOR CERAMICS COMBUSTION USING GASIFICATION TECHNOLOGY Bono Pranoto, Aminuddin, Errie Kusriadie, Arfie Iksan Firmansyah Puslitbangek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi Energi Jl. Ciledug Raya Kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan bonopranoto@yahoo.com Abstrak Indonesia mempunyai potensi biomasa yang melimpah yang berasal dari berbagai jenis sumber biomasa. Limbah biomasa yang sudah terkumpul dapat dijumpai di industri yang mengolah hasil pertanian/perkebunan. Salah satu pemanfaatan limbah biomasa yang menjanjikan adalah dengan konversi limbah tersebut menjadi gas bakar melalui teknik gasifikasi biomasa. Dalam paper ini, dipaparkan pengalaman penelitian dan pengembangan teknologi gasifikasi biomassa oleh P3TKEBTKE dalam rangka pemanfaatan energi limbah biomasa. Metodologi penelitian ini adalah uji coba sistem gasifikasi dengan variasi limbah biomassa. Sekam padi, cangkang kelapa, serbuk gergaji dan briket biomassa telah diuji coba dalam reaktor gasifikasi. Gas hasil gasifikasi dimanfaatkan untuk pembakaran keramik di desa Plered, Purwakarta, dengan menggunakan tungku tipe Shuttle Kiln. Gasifikasi dari cangkang kelapa memiliki kandungan gas produser yang tinggi dan bisa dimanfaatkan sebagai bahan bakar pembakaran keramik. Jumlah gas metana dalam kandungan gas dari masing-masing bahan bakar mempengaruhi besarnya temperature pembakaran. Penebangan kayu hutan sebagai bahan bakar pembakaran keramik harus dikurangi dengan memanfaatkan cangkang kelapa sebagai bahan bakar menggunakan teknologi gasifikasi. Kata Kunci: Gasifikasi, Biomassa, Downdraft, Keramik Abstract Indonesia has abundant biomass coming from a variety of biomass sources. A large amount of collected biomass waste can be found in agricultural/plantation processing industry. One of the promising biomass waste utilization is by converting the biomass into fuel gas through gasification techniques. This paper describes an experience research and development experience on biomass gasification technology that has been conducted by P3TKEBTKE in Plered, Purwakarta. The methodology of this research is to trial gasification system with biomass feed s variation. Some biomass wastes like rice husk, coconut shell, sawdust, and biomass briquette were tested in the gasification reactor. The R & D goal is utilization of biomass waste energy to produce gas replacing fossil fuel in ceramic burning using Shuttle Kiln. Producer gas from coconut shell has a high combustible gas content, and can be used as fuel combustion ceramics. The quantity of metana in producer gas from each biomass influence quality of temperature combustion. Forest logging as ceramic fuel combustion should be reduced by using coconut shells as fuel using gasification technology. Key Words: Gasification, Biomass, Downdraft, Ceramic PENDAHULUAN Indonesia mempunyai potensi biomasa yang melimpah yang berasal dari berbagai jenis sumber biomasa (Prastowo,2007). Limbah biomasa yang sudah terkumpul dapat dijumpai di industri yang mengolah hasil pertanian/perkebunan. Limbah biomasa yang bukan berasal dari industri berbasis pertanian 45

2 Ketenagalistrikan Dan Energi Ketenagalistrikan Terbarukan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : dan perkebunan biasanya tersebar dan memerlukan metode pengumpulan untuk dapat layak dimanfaatkan lebih lanjut. Salah satu pemanfaatan limbah biomasa yang menjanjikan adalah dengan pemanfaatan limbah tersebut menjadi gas bakar melalui teknik gasifikasi biomasa (Anil, 1986). Industri Keramik adalah salah satu industri yang bergantung kelangsungannya terhadap kebutuhan bahan bakar. Industri keramik modern banyak yang telah menggunakan bahan bakar gas. Sedangkan industri keramik tradisional masih mengandalkan bahan bakar kayu pohon dari hutan. Pemanfaatan gasifikasi dari limbah biomasa untuk industri keramik tradisional tidak hanya memanfaatkan limbah biomassa sekitar namun juga dapat mengurangi penebangan hutan liar. Teknik gasifikasi dapat bersifat mandiri dan dapat dikembangkan dengan berbagai kapasitas tergantung dari jenis dan ketersediaan bahan baku (Klass,1998). Limbah biomasa biasanya dihasilkan pada daerah tertentu (bersifat lokal). Pengembangan gasifikasi biomasa pada daerah tersebut akan mampu menghasilkan energi setempat sehingga meningkatkan ketahanan energi nasional. Prinsip gasifikasi bahan bakar padat merupakan rangkaian proses kontinu pengeringan, pirolisis, reduksi dan oksidasi (Dasappa,2003). Pengelompokan proses tersebut didasarkan pada rentang suhu biomasa selama berada dalam proses. Biomasa dalam reaktor terpanaskan perlahan dan melalui rangkaian proses; melepaskan air pada 100 o C, tar pada rentang suhu o C, teroksidasi pada ±1200 o C dan tereduksi pada suhu 800 o C. Pada reaktor gasifikasi downdraft, biomasa diumpankan ke dalam gasifier dari bagian atas dan akan turun sendiri karena gaya gravitasi. Udara yang mengandung oksigen dan nitrogen ditarik dari bagian bawah gasifier sehingga mengalir dari atas ke bawah sepanjang gasifier. Di dalam gasifier, terjadi tahapan proses yaitu pengeringan di bagian atas, selanjutnya pirolisis, reduksi dan oksidasi di bagian bawah. Secara umum tahapan proses gasifikasi adalah sebagai berikut (SERI,1988): Pada daerah pengeringan suhu berkisar antara C C, dimana pada suhu C uap air terlepas dari biomasa Pada daerah pirolisis suhu berkisar C C, terjadi perengkahan molekulmolekul besar menjadi moleku-molekul kecil akibat pengaruh suhu tinggi (termal) menghasilkan uap air, uap tar, gas ringan seperti : CH 4, H 2, CO 2, dan arang. Dan pada daerah suhu yang lebih tinggi sekitar C C di bagian bawah gasifier terjadi proses reduksi oksidasi, yaitu pembakaran arang menjadi abu dan CO 2 dan juga proses reduksi karbon dioksida (CO 2 ) menjadi karbon monoksida (CO), dan hidrogen (H 2 ) Selanjutnya gas-gas bakar tersebut keluar dari bagian bawah gasifier pada suhu sekitar C 46

3 Ketenagalistrikan Pemanfaatan Dan Energi Biomassa Terbarukan Sebagai Bahan Bakar Untuk Pembakaran Keramik Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : 45 Dengan 54 Menggunakan Teknologi Gasifikasi Proses pembakaran keramik/gerabah di masyarakat kebanyakan masih dilakukan dengan cara sederhana dan boros dalam pemakaian energi. Umumnya, pembakaran dilakukan dalam tungku dengan sistim api tegak dan menggunakan bahan bakar kayu ataupun bahan bakar minyak. Ancaman penebangan hutan liar akan ketersediaan kayu yang semakin menipis serta meningkatnya harga BBM menyebabkan menurunnya jumlah produksi gerabah pada sentra industri keramik (Kompas, 2007). Pemanfaatan bahan bakar limbah biomasa merupakan salah satu alternatif pengganti bahan bakar minyak. Melalui sistem gasifikasi, limbah biomasa dikonversikan secara termo-kimia menjadi gas bakar. Produk gas bakar dimanfaatkan untuk pembakaran gerabah /keramik. Melalui penelitian ini dicari bahan bakar biomassa yang cocok digunakan untuk pembakaran keramik metode gasifikasi METODOLOGI Metode Penelitian yang digunakan adalah melakukan ujicoba berbagai macam biomasa terhadap sistem gasifikasi untuk pembakaran keramik, dengan metode sebagai berikut: Gambar 1. Metode Penelitian Pada saat percobaan, bahan bakar menggunakan kondisi lingkungan yang sama, diantaranya: a. Volume ruang bakar sama, shuttle kiln dengan volume 7 m3. b. Material ruang bakar yang sama, shuttle kiln dengan dinding dalam glass wool c. Menggunakan 1 burner pembakaran, posisi burner sama yaitu burner depan atas. d. Menggunakan kecepatan blower hisap yang sama, 25 rpm e. Menggunakan bukaan valve burner yang sama, 50% bukaan. f. Ruang bakar dalam kondisi kosong. Peralatan yang Digunakan 1. Unit gasifikasi biomasa Unit gasifikasi terdiri dari reaktor, pembersih gas dan blower hisap. Besarnya 47

4 Ketenagalistrikan Dan Energi Ketenagalistrikan Terbarukan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : tarikan gas dan udara primer dikendalikan melalui panel pengontrol. Reaktor Bertipe downdraft, reaktor ini merupakan tempat terjadinya proses gasifikasi (Gambar 2). Kapasitas 100 Kg/jam umpan biomasa, dengan diameter 80 cm, bahan bakunya berupa biomasa (sekam padi, serbuk gergaji, briket sampah, arang batok kelapa, dll. Gambar 3. Siklon Blower Hisap Blower digunakan untuk menarik udara pereaksi melewati reaktor dan menyalurkan gas hasil gasifikasi masuk ke dalam tungku pembakaran keramik (Gambar 4). Blower dioperasikan rata-rata pada kapasitas 3 m 3 /menit. Gambar 2. Reaktor Pembersih Gas Bertipe siklon, berfungsi untuk memisahkan debu/kotoran dan tar dari gas (Gambar 3). Terletak setelah reaktor gasifier. Tar dan partikulat yang terbawa oleh gas akan membentur dinding siklon dan jatuh ke tempat penampungan tar. Gambar 4. Blower Hisap 2. Unit Pembakar Keramik Unit ini terdiri dari 2 buah tungku yang berjenis Shuttle Kiln, yang bergerak semi- Diterima 48 : 11 Maret 2013, disetujui terbit : 24 Juni 2013

5 Ketenagalistrikan Pemanfaatan Dan Energi Biomassa Terbarukan Sebagai Bahan Bakar Untuk Pembakaran Keramik Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : 45 Dengan 54 Menggunakan Teknologi Gasifikasi kontinyu, dilengkapi dengan rel dan lori (Gambar 5). Tungku terbuat dari material plat yang dilapisi serat kaca (glass wool) dengan kapasitas masing-masing tungku 7 m 3. Masingmasing tungku dilengkapi 6 (enam) burner yang memanfaatkan gas keluaran blower hisap; tiga burner diposisikan berlawanan dan sisanya untuk menghasilkan panas yang berputar (circular heat). Tungku digunakan sebagai tempat keramik yang sudah siap untuk dibakar. Gambar 5. Shutle Kiln Bahan Bakar yang digunakan Bahan bakar biomassa yang berasal dari tumbuhan antara lain sekam padi, tempurung kelapa, serbuk gergaji, briket biomassa. Masing-masing biomassa mempunyai properti yang berbeda baik komposisi kimia, bentuk fisik, dll. Menyebabkan karakteristik operasional gasifikasi yang berbeda untuk mendapatkan gas mampu bakar yang stabil dan berkualitas. HASIL DAN PEMBAHASAN Peralatan gasifikasi telah diuji dengan beberapa jenis biomassa. Kandungan kimia biomassa dianalisis dalam kelompok analisis proksimat dan ultimat (Tabel 1). Peralatan dapat dikatakan telah mampu beroperasi dengan baik dan menghasilkan gas bakar dengan kualitas yang baik. Respon peralatan tergantung dari jenis biomassa. Berikut dijelaskan hasil percobaan gasifikasi beberapa jenis biomassa. Pengujian reaktor dengan serbuk gergaji Serbuk gergaji yang digunakan diperoleh dari pabrik pengolahan kayu. Jenis serbuk yang digunakan tidak spesifik tetapi tergantung dari kayu yang diolah. Tabel 1. Hasil Pengujian Proksimat dan Ultimat Biomasa 49

6 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Hasil analisis proksimat, ultimat dan nilai kalor serbuk gergaji yang digunakan dinyatakan pada Tabel 2. Komponen dominan dalam serbuk gergaji adalah zat terbang, hingga mencapai 65,18%. Zat terbang bersifat mudah teruapkan sehingga reaksi gasifikasi serbuk gergaji dapat berlangsung dengan cepat. Tabel 2 Hasil Analisis Proksimat dan Ultimat Serbuk Gergaji (%-adb) Komponen Proksimat Ultimat Moisture 20,14 - Abu 1,14 - Zat Terbang 65,18 - Karbon Tetap 13,54 - Karbon - 41,30 H2-6,70 N2 - Trace S - 0,13 O2-50,73 Nilai Kalor, cal/g 3727 Kandungan air dalam serbuk gergaji cukup besar (20,14%). Kandungan air yang tinggi menurunkan suhu operasi gasifikasi karena air akan bereaksi dengan arang atau gas hasil gasifikasi melalui reaksi endotermis. Kandungan air pada serbuk gergaji yang tinggi menyebabkan bahan tersebut sulit mengalir sehingga membentuk gumpalan yang menyumbat reaktor dan menghambat pengoperasian lebih lanjut. Di sisi lain, kandungan air yang tinggi dapat meningkatkan persentase gas hidrogen dalam gas produk. Tabel 3 memaparkan hasil analisis gasifikasi serbuk gergaji. Terlihat bahwa komponen gas hidrogen dan gas karbon monoksida, yang merupakan komponen utama gas bakar, cukup besar. Komponen gas sebagai hasil reaksi pirolisis (CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6 ) tidak terlalu siknifikan sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi gasifikasi sudah berlangsung dengan baik. Tabel 3 Hasil Analisis Produk Gasifikasi Serbuk Gergaji Komposisi gas, %-vol Komponen Sample 1 Sample 2 CO C 2 H C 2 H N CH CO H Pengujian Reaktor dengan Arang Batok Kelapa Gasifikasi arang dilakukan untuk mengetahui respon proses terhadap pengaruh kandungan zat terbang. Arang yang digunakan adalah arang batok kelapa yang diperoleh dari pabrik pengolahan batok kelapa. Bahan baku diumpankan ke dalam reaktor tanpa melalui proses pendahuluan (seperti penggerusan dan pengayakan). Suhu operasi gasifikasi batok kelapa yang teramati lebih tinggi dibandingkan suhu operasi gasifikasi dengan bahan baku serbuk gergaji. Bahkan, suhu operasi makin tinggi sejalan dengan waktu pengoperasian reaktor. Perilaku proses tersebut terkait dengan komposisi awal bahan baku. Komponen utama arang batok kelapa adalah senyawa karbon. Diterima 50 : 11 Maret 2013, disetujui terbit : 24 Juni 2013

7 Ketenagalistrikan Pemanfaatan Dan Energi Biomassa Terbarukan Sebagai Bahan Bakar Untuk Pembakaran Keramik Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : 45 Dengan 54 Menggunakan Teknologi Gasifikasi Sehingga, selama reaksi gasifikasi, reaksi yang dominan adalah reaksi karbon dengan oksigen yang bersifat eksoterm. Tabel 4 memaparkan hasil operasi gasifikasi dengan bahan baku batok kelapa. Terlihat bahwa kandungan hidrokarbon ringan (CH 4, C 2 H 4, dan C 2 H 6 ) sangat kecil atau bahkan tidak terdeteksi yang menunjukkan kandungan zat terbang pada bahan baku kecil. Gas produk masih mengandung gas hidrogen yang diperkirakan hasil reaksi pergeseran CO dengan air lembab bahan baku dengan produk samping CO 2. Tabel 4 Hasil Analisis Produk Gasifikasi Arang Batok Kelapa yang menunjukkan masih terdapat gas hasil pirolisis yang belum tereaksi. Gas tersebut kemungkinan melewati celah dalam tumpukan bahan baku sehingga tidak sempat bereaksi lebih lanjut. Kandungan hidrogen dalam gas produk cukup tinggi sehingga gas dapat dinyalakan dan dapat digunakan sebagai bahan bakar. Tabel 5 Hasil Analisis Produk Gasifikasi Sekam Padi Komponen Komposisi gas, %-vol CO 2 14,1347 C 2 H C 2 H Komponen Komposisi gas, %-vol N 2 51,8942 CO N CH CO H Pengujian Reaktor dengan Sekam Padi Tabel 5 menunjukkan hasil analisis proses gasifikasi bahan tersebut. Sekam padi mempunyai kandungan air lebih rendah daripada serbuk gergaji sehingga dalam pengoperasiannya tidak menimbulkan penyumbatan dalam reaktor. Reaksi gasifikasi dalam reaktor juga tidak terhenti karena penurunan suhu akibat penyerapan energi oleh kehadiran air lembab masih mampu diimbangi dengan reaksi yang eksoterm. Gas produk hasil gasifikasi masih mengandung komponen hidrokarbon ringan CH CO H Pengujian Reaktor dengan Briket Biomassa Briket biomassa yang digunakan dibuat sendiri dari biomassa yang diperoleh dari masyarakat sekitar. Jenis biomassa yang dikumpulkan berupa limbah organik, seperti: limbah pasar, limbah pertanian (limbah sagu, limbah penggergajian kayu, sabut kelapa, sekam padi, eceng gondok, kulit kopi), residu penyulingan minyak atsiri, dan sampah dedaunan. Satu kilogram briket arang biomassa dapat dibuat dari 10 kg limbah pertanian atau 50 kg sampah organik basah. Briket yang telah dibuat kemudian digunakan sebagai bahan percobaan. Gas yang 51

8 Suhu (C) Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : dihasilkan dari percobaan tersebut dianalisis dan dipaparkan dalam Tabel 6. Tabel 6 Hasil Analisis Produk Gasifikasi Briket Komponen Komposisi gas, %-vol CO C 2 H C 2 H C 2 H C 3 H N CO H Hasil analisa menunjukkan kandungan gas hidrogen sangat kecil. Kandungan hidrogen dari gas hasil gasifikasi terutama diperoleh dari perakahan zat terbang yang dilanjutkan dengan reaksi pergeseran yang memerlukan steam. Oleh karena zat terbang dan air (sebagai bahan baku steam) telah dihilangkan pada tahap pembuatan arang, kandungan unsur hidrogen dalam briket arang juga kecil. Sehingga, hasil reaksi gasifikasi hanya akan mengandung hidrogen dalam jumlah yang kecil pula Batok Kelapa Sekam Padi Serbuk Gergaji Briket Biomassa Waktu 6 (Jam) Gambar 8. Suhu Pembakaran hasil uji coba berbagai jenis bahan bakar biomassa 52

9 Ketenagalistrikan Pemanfaatan Dan Energi Biomassa Terbarukan Sebagai Bahan Bakar Untuk Pembakaran Keramik Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : 45 Dengan 54 Menggunakan Teknologi Gasifikasi Profil Suhu Pembakaran Dari hasil percobaan, didapatkan suhu hasil pembakaran berbagai jenis biomasa seperti ditampilkan pada Gambar 8. Terlihat bahwa batok kelapa memiliki kecepatan peningkatan suhu yang lebih baik dari pada sekam padi, serbuk gergaji dan briket biomassa. Hal ini disebabkan karena batok kelapa memiliki nilai metana yang lebih besar pada kandungan gas dibanding yang lainnya. Walaupun sekam padi memiliki kandungan volume hydrogen yang lebih tinggi namun dikarenakan berat jenis yang lebih ringan dibanding metana menyebabkan pengaruh pembakaran lebih didominasi oleh besarnya kandungan metana. Kandungan karbon monoksida juga berpengaruh terhadap temperatur pembakaran. Masing-masing gas produk memiliki kandungan karbon monoksida yang sama besarnya. Briket biomassa memiliki suhu pembakaran yang kecil dikarenakan kandungan metana dan hydrogen yang sedikit, sehingga temperatur yang dihasilkan lebih banyak dipengaruhi oleh besaranya kandungan gas karbon monoksida. Laju peningkatan suhu tidak sepenuhnya dipengaruhi oleh kandungan gas dari masingmasing bahan bakar, namun juga dipengaruhi oleh material penyerap panas disekitar pembakaran. KESIMPULAN DAN SARAN Metana, karbon monoksida dan hydrogen merupakan komponen gas produser yang mudah terbakar. Besarnya komponen tersebut sangat berpengaruh pada besarnya suhu pembakaran. Metana memiliki pengaruh yang besar dikarenakan nilai kalor yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan dengan hydrogen dan karbon monoksida. Dari hasil percobaan didapat bahwa batok kelapa memiliki gas produser yang paling tinggi dan bisa dimanfaatkan sebagai sumber energi pembakaran keramik DAFTAR PUSTAKA [1]. Rajvanshi, A.K, Biomass Gasification, Director, Nimbkar Agricultural Research Institute, PHALTAN , Maharashtra, India [2]. Dinas Perindustrian Propinsi Jawa Barat, Teknologi Proses Pembakaran Keramik, Program Pelatihan Peningkatan Teknik Produksi dan Diversifikasi Produk Kerajinan Keramik di Purwakarta. [3]. Kompas, 2007, Harga Minyak Tekan Industri Mulai Oktober 2007, Harga Gas Akan Naik 10 Persen, [4]. Klass, D.L, Biomass for renewable energy, fuels, and chemicals, Academic Press, San Diego, Ca. [5]. Kong, E. The Great Clay Adventure. New York: Sterling Publishing, [6]. Prastowo Bambang, 2007, Sustainable Production of Biofuel Crops. Indonesian Center for Estate Crops Research & Development. On Sustainable Aspect of Biofuel Production Workshop, Jakarta 53

10 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : Vol. 12 No. 1 Juni 2013 : [7]. Susanto, H., A. Irawan, dan A Delfa, Uji Aliran Padatan dalam Reaktor Gasifikasi Tandan Kosong Sawit, Prosiding Seminar Nasional Dasar-dasar dan Aplikasi Perpindahan Panas dan Massa, Yogyakarta. [8]. Dasappa. S, H.V Sridhar, G Sridhar, P.J Paul, H.S Mukunda, 2003, Biomass gasification a substitute to fossil fuel for heat application, Sciencedirect, Biomass and Bioenergy 25 (2003) [9]. Solar Energy Research Institute, 1988, Handbook of biomass downdraft gasifier engine system, Departemen of Energy, United States, SERI/SP [10]. Fitria, Y. 2009, Kajian Tekno Ekonomi Pabrik Konversi Biomassa Menjadi Bahan Bakar Fischer-Tropsch Melalui Proses Gasifikasi, Institut Teknologi Bandung 54