BAB II TEORI DASAR PEMANFAATAN BIOMASA 2.1. Energi Terbarukan Energi merupakan persoalan yang sangat penting di dunia, peningkatan permintaan energi berbanding terbalik dengan jumlah cadangan energi. Oleh sebab itu pemerintah Indonesia memprioritaskan pengembangan terhadap energi terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang dihasilkan dari sumber energi yang alami yang berkelanjutan bila dikelola dengan baik dan tidak akan pernah habis. Contoh energi terbarukan adalah panas bumi, angin air, gelombang air laut, biomassa dan biogas. Potensi energi terbarukan dapat dilihat pada Tabel 2.1 di bawah ini. Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia Energi Potensi Kapasitas Terpasang (MW) Hidro 75,67 GW 4.200 Panas Bumi 27 GW 807 Mini/Mikro hidro 712 MW 206 Biomassa 49,81 GW 302,4 Energi matahari 4,8 kwh/m 2 /Hari 6 Angin 3-6 m/sekon 0,6 (Sumber: DGEEU, 2004)
2.2. Energi Biomassa Salah satu energi terbarukan adalah biomasa. Biomasa adalah istilah untuk semua bahan yang dihasilkan oleh fotosintesis yang ada di permukaan bumi, dimana sumber dari segala energi dalam biomasa adalah matahari. Biomasa dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk memasak dan proses termal lainnya baik itu industri kecil maupun menengah. 2.2.1. Potensi Energi Biomasa di Indonesia Potensi energi biomasa di Indonesia sangat besar. Limbahbiomassa yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik bisa berasal dari tandan kosong kelapa sawit (TKS), tongkol jagung, dan sekam padi. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.2. Dari potensi listrik tersebut, kapasitas terpasang hanya 302,4 MW. Menurut ZREU 2000 Indonesia menghasilkan 146.700.000 ton biomassa tiap tahunnya dan penyebarannya di Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Peta sebaran biomassa di Indonesia (sumber: ZREU 2000, Biomasa in Indonesia- Bussiness Guide). Tabel 2.2. Potensi limbah biomasa sebagai sumber energi di Indonesia
(Sumber: ZREU, CG I 2000) Beberapa teknologi konversi yang dilakukan untuk mengubah biomasa menjadi energi lain antara lain [ 11] : 1. Termokimia 2. Biokimia 3. Pembakaran langsung Termokimia dapat dibagi menjadi dua yaitu gasifikasi dan liquefaction. Gasifikasi dilakukan dengan cara memanaskan biomasa dengan oksigen yang terbatas untuk memproduksi gas Low Heating Value. Liquefaction dilakukan dengan cara mengubah gas hasil gasifikasi menjadi ethanol dan methanol. Biokimia dapat dibagi menjadi dua yaitu anaerobic digestion dan fermentasi. Anaerobic digestion adalah pembusukan bakteri bahan organik dalam kondisi ketiadaan oksigen untuk menghasilkan campuran gas metana dan karbon dioksida dalam perbandingan volume kira-kira 2:1 [11]. Fermentasi adalah pemecahan molekul kompleks dalam senyawa organik dengan bantuan seperti ragi, bakteri. Biji-bijian dan tanaman gula diubah oleh fermentasi menjadi etanol. Etanol yang dihasilkan dapat dicampur dengan bensin untuk
menghasilkan gasohol (bensin 90%, etanol 10%), yang dapat digunakan sebagai bahan bakar mobil [11]. Pembakaran langsung yaitu dengan cara membakar biomasa untuk memanaskan boiler untuk menghasilkan uap yang akan memutar turbin untuk menggerakkan generator. Dalam tulisan ini biomasa yang dimaksud adalah tandan buah segar atau kelapa sawit. Pembakaran adalah proses kimia antara suatu senyawa atau unsur dengan oksigen. Contoh reaksi pembakaran: Reaksi antara methana dan oksigen CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + panas Reaksi antara karbon dan oksigen C + O 2 2C + O 2 2CO 2 + O 2 CO 2 + panas 2CO + panas 2CO 2 + panas Reaksi antara hidrogen dengan oksigen 2H + O 2 2H 2 O + panas 2.2.2. Energi Biomasa Sawit Pabrik kelapa sawit menghasilkan tiga jenis limbah padat yaitu serat, cangkang dan tandan buah kosong, produk sampingan dari limbah padat lainnya adalah abu hasil pembakaran bahan bakar. Pemanfaatan limbah biomassa pada saat ini adalah hanya untuk memenuhi energi pengolahan minyak kelapa sawit melalui pembakaran langsung serat dan cangkang. Sementara itu tandan buah kosong dan abu hasil pembakaran digunakan sebagai pupuk di perkebunan untuk mengurangi
konsumsi pupuk kimia dan mempertahankan kondisi iklim pohon kelapa sawit didekatnya. Sistem pembakaran biomassa lebih kompleks daripada sistem pembakaran bahan bakar fosil dan umumnya memerlukan komponen tambahan di luar unit pembakaran. Ini berarti bahwa komponen komponen sistem pembakaran biomassa harus terintegrasi dengan hati-hati untuk memastikan keberhasilan pembangkit dan beroperasi tanpa adanya gangguan. Bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil penggunaan bahan bakar biomassa sebagai sumber energi memiliki beberapa tantangan yang berkaitan dengan: a. Keandalan bahan bakar biomassa termasuk kadar air, nilai kalor, konsistensi, dimensi, isi dan kotoran lainnya b. Kompleksitas ruang penyimpanan bahan bakar dan distribusi c. Kompleksitas sistem pembakaran d. Pembentukan kerak Cangkang dan serat memiliki kandungan nilai kalori yang cukup tinggi seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3 sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar PLTBS.
Tabel 2.3. Kandungan kalori kelapa sawit Bagian kelapa sawit Cangkang Serat Tandan buah kosong Batang Nilai kalori 4.105 4.802 kcal/kg 2.637 4.554 kcal/kg 4.492 kcal/kg 4.176 kcal/kg POME * 4.695 8.569 kcal/m 3 Note: 1 kcal = 4187 Joule = 1,163 Wh. Catatan: POME = Palm Oil Mill Effluent (Sumber Tabel : PT Palsihok utama team, An intermediate report biomass & biogas power plant system at Blangkahan palm oil mill.) 2.3. CDM (Clean Development Mechanism) Clean Development Mechanism adalah mekanisme yang ada pada protokol Kyoto Clean Development Mechanism (mekanisme pembangunan bersih) adalah solusi antara negara maju dan negara berkembang, dimana negara maju berinvestasi di negara berkembang dalam proyek yang dapat megurangi emisi gas rumah kaca dengan imbalan sertifikat pengurangan emisi (Certified Emission Reduction, CER) bagi negara maju tersebut. Faktor emisi dari PLTBS Blangkahan ini adalah sebesar 0,96 tco 2 /MWh, CER sebesar 23,041 tco 2 /tahun, harga dari CER adalah 7 USD/tCO 2.
2.4. Siklus Rankine 2.4.1. Pengertian Siklus Rankine Siklus Rankine (Gambar 2.2) adalah siklus ideal untuk siklus tenaga uap. Dalam bentuk sederhana Siklus Rankine terdiri dari empat komponen: pompa, boiler, turbin dan kondensor. Gambar 2.2. Siklus rankine dan grafik T (suhu) vs s (entropi) Siklus Rankine ideal tidak terdiri dari 4 tahapan proses : 1 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa. 2 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan. 3 4 Ekspansi isentropik kedalam turbin. 4 1 Pelepasan panas didalam kondenser pada P = konstan.
Air memasuki pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air. Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Panas yang diberikan oleh boiler ke air pada T (suhu) tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator. Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P (tekanan) dan T (suhu) dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondensor dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan didalam kondensor dan akan meninggalkan kondensor sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini. Data dibawah kurva proses pada diagram T s (entropi) menunjukkan transfer panas untuk proses reversibel internal. Area dibawah kurva proses 2 3 menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4 1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondensor. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.
2.4.2. Analisis Energi pada Siklus Rankine Analisa energi ini dilihat dari tiap komponen yang terdapat pada siklus Rankine. Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis sebagai berikut : 1. Pompa (Q = 0) W P = ṁ(h 2 -h 1 ) = v(p 2 -P 1 ) (2.1) 2. Boiler (W = 0) Qin = ṁ (h 3 h 2 ) (2.2) 3. Turbin (Q = 0) W T, out = ṁ (h 3 h 4 ) (2.3) 4. Kondensor (W = 0) Qout = ṁ (h 4 h 1 ) (2.4) Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis : ɳ = = (2.5) 2.5. Pembangkit Listrik Tenaga Biomasa Sawit (PLTBS) 2.5.1. Teori dasar PLTBS Pada dasarnya PLTBS adalah PLTU yang berbahan bakar biomasa sawit. Dari skema PLTBS seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 bisa kita lihat bahwa TKS dialirkan ke shredder, pada shredder TKS diiris (shredding) hingga diperoleh potongan serat dengan panjang maksimum kira-kira 100 mm. TKS tersebut kemudian dialirkan oleh conveyor ke oil presser. Pada oil presser kadar air dikurangi untuk menghasilkan minyak dan gumpalan serat. Pada dryer kadar air tandan kosong diturunkan kembali hingga 40%. Kemudian TKS dikumpulkan di dalam silo TKS sebelum diumpankan ke ruang pembakaran untuk pemanasan boiler. Uap yang dihasilkan oleh boiler akan dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung
dengan generator sinkron, kemudian generator akan berputar menghasilkan listrik. Setelah melewati turbin, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi masuk ke kondensor. Uap yang masuk ke kondensor dikondensasikan oleh air yang berasal dari cooling tower menjadi air yang kemudian dipompakan kembali ke dearator lalu diumpankan ke boiler. Gambar 2.3. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit (PLTBS)
2.5.2. Peralatan Utama PLTBS 2.5.2.1. Boiler (Ketel uap) Boiler adalah bejana tertutup dimana panas hasil pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas dan uap. Air panas atau uap pada tekanan tertentu digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat 1600 kali dan mudah meledak [14]. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. 2.5.2.2. Boiler Blowdown Proses blowdown adalah proses dimana sejumlah volume air dikeluarkan secara otomatis diganti dengan air umpan yang bertujuan untuk mengurangi padatan terlarut yang terdapat dalam air dan cenderung tinggal pada permukaan boiler. Jika pada air umpan terdapat banyak padatan maka padatan tersebut akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air terlampaui dan akan mengendap. Pada tingkat kosentrasi tertentu, padatan dapat mengakibatkan terbentuknya busa dan
menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan tersebut juga dapat mengakibatkan kerak pada boiler. Sehingga mebutuhkan panas yang berlebih untuk memanaskan air pada boiler. 2.5.2.3. Superheater Merupakan alat perubah panas yang khusus dibuat dari tabung-tabung yang disusun pararel, menerima uap dari boiler yang dilepas dari drum untuk menaikkan temperatur. Kebutuhan akan superheater steam untuk operasi suatu prime mover adalah untuk menaikkan efisiensi mesin. 2.5.2.4. Air Pengisi Boiler Air yang siap dimasukkan dalam boiler disimpan dalam water storage dan sudah mengalami perlakuan khusus untuk mendapatkan syarat yang memenuhi sebagai air pengisi boiler. Syarat khusus air pengisi boiler; bebas kandungan garam, asam, kotoran, lumpur atau sifat agresif yang merusak boiler. Tujuan pengolahan feedwater adalah untuk menghilangkan atau mengurangi kotoran-kotoran yang yang disebabkan oleh kerak atau korosi, karena kerak hasil endapan Ca dan Mg yang melekat pada dinding boiler maupun pada pipa boiler akan bertambah tahan terhadap panas sehingga panas dari air air tidak semua pindah ke air, tetapi sebagian untuk memanasi pipa atau dinding boiler. Karakteristik air pengisi boiler yang baik adalah: 1. Tidak mengakibatkan korosi pada dinding boiler, pipa-pipa air dan peralatannya.
2. Tidak memberi endapan yang berbentuk kerak. Akibat pemakaian air yang tidak murni: 1. Terjadi korosi pada boiler. 2. Timbul kerak, hal ini terjadi karena endapan kondisi bahan padat yang terlarut jika temperatur naik. Cara menghindari kerak: 1. External boiler water treatment, yaitu dengan menghilangkan kotoran di luar boiler. 2. Internal boiler water treatment, yaitu dengan menambahkan bahan kimia. Air yang terdapat di alam bebas banyak mengandung asam, garam dan kotoran seperti pasir dan lumpur, maka untuk kebutuhan air boiler lebih baik menggunakan air kondensasi. Air kondensasi adalah air yang berasal dari uap bekas lalu didinginkan dengan alat kondensor. Mencegah terjadinya korosi dalam boiler dilakukan dengan penghilangan gas oksigen. 2.5.2.5. Turbin Uap dan Alternator Turbin uap adalah penggerak mula yang terus menerus mengubah energi uap panas yang bertekanan bersuhu tinggi menjadi energi mekanik yang berupa putaran pada poros turbin. Uap ini berekspansi melalui sudu-sudu turbin sehingga poros turbin berputar dan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik. Umumnya pada alternator belitan medan berada pada rotor dan belitan jangkar berada pada stator. Energi mekanik rotasi dari turbin dikonversi menjadi energi listrik di generator dengan perputaran medan magnet rotor. Rotor generator
terdiri dari baja tempa dengan slot untuk konduktor yang disebut belitan medan. Rotor dikelilingi oleh stator yang berisi konduktor tembaga. Medan magnet rotor yang melewati stator membuat elektron dalam konduktor stator bergerak, elektron yang bergerak ini disebut arus. 2.5.2.6. Feedwater Heater Feedwater heater menaikkan suhu air umpan sebelum memasuki economiser. Hal ini berguna agar tidak terjadi thermal stressing yang disebabkan oleh masuknya air dingin ke dalam drum yang panas dalam boiler, selain itu juga berguna untuk menaikkan efisiensi. 2.5.2.7. Pengaman Ketel Uap (Boiler) a. Safety Valve Berfungsi sebagai pengaman terhadap terjadinya tekanan uap lebih yang diproduksi ketel uap [7]. b. Pengaman Boiler Drum Level Berfungsi untuk mengontrol tinggi rendahnya permukaan air pada boiler [7]. c. Pengaman Boiler Furnace Berfungsi untuk mengontrol tekanan ruang bakar. Hal ini untuk menjamin kestabilan proses pembakaran. Transportasi bahan bakar biomasa sawit ke ruang bakar dan proses pengeluaran abu biomasa sawit dari dalam ruang
bakar menuju alat penangkap debu. Bila batasan pengamanan terlampaui dan menyimpang maka proses diatas akan terganggu [7]. d. Pengaman Boiler Main Stream Temperature Fungsinya adalah mengontrol tinggi temperatur uap utama keluar superheater. Selain itu juga berfungsi sebagai pengaman terjadinya temperatur uap utama melebihi batas desain yang diijinkan. Pengamanan ini dimaksudkan untuk menghindari terjadinya thermal stress pada suatu turbin tingkat pertama akibat perbedaan temperatur terlalu tinggi antara temperatur uap utama yang masuk dengan temperatur metal pada sudu turbin [7]. e. Pengaman Air Flow Berfungsi untuk membatasi jumlah total udara yang masuk ke ruang bakar pada saat proses pembilasan (purge) ketel uap. Pada saat pembilasan ketel uap kita mengharapkan seluruh gas-gas sisa pembakaran yang terakumulasi dalam ruang bakar dan saluran-saluran gas buang dapat kira-kira 600 ton/jam dibuang ke udara luar, minimal gas-gas sisa pembakaran bersih dalam waktu 3 menit (desain) [7]. f. Pengaman Instrumen Air Pressure Pengaman Instrumen air pressure adalah sebagai kebutuhan utama dalam sistem kontrol pneumatic PLTU. Pasokan udara instrumen harus sangat terjaga dan sangat spesial mengingat sumber tenaga seluruh kontrol ketel, turbin dan alat bantunya terletak pada keandalan suplai udara instrumen yang berkelanjutan dan tetap pada tekanan kerjanya. Mengingat keutamaan dan fungsi udara instrumen sebagai sumber tenaga bagi seluruh kontrol
boiler turbin dan alat bantunya maka apabila terjadi tekanan udara turun dibawah titik kerjanya hal ini akan mengakibatkan seluruh fungsi kontrol pneumatic terhenti dan akan menghentikan kegiatan operasi boiler dan turbin [7]. g. Pengaman Scanner Cool Pressure Berfungsi untuk mengamankan sistem pendingin pada scanner sensor flame. Pendeteksian nyala api pada suatu boiler sangat penting untuk meyakinkan adanya pembakaran, sehingga tidak akan terjadi penumpukan bahan bakar akibat kegagalan penyalaan api. Pendeteksi nyala api diamankan dari panasnya area ruang bakar dengan jalan memberikan pendinginan berupa perapat udara bertekanan pada seluruh permukaan alat pendeteksi api tersebut. Terganggunya sistem pendinginan ini akan mengakibatkan melting point pada alat pendeteksi nyala api karena terjadi kontak langsung antara alat dengan panasnya api yang dideteksi kerusakan [7].