JURNAL PUBLIKASI Pengembangan Desain dan Konstruksi Alat Produksi Gas Metana Dari Pembakaran Sampah Organik Sekam Padi Disusun oleh: ARIANTO SUYATNO PUTRO D 200 090 043 JURUSAN MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SEPTEMBER 2013
Pengembangan Desain dan Konstruksi Alat Produksi Gas Metana Dari Pembakaran Sampah Organik Sekam Padi Arianto Suyatno Putro, Sartono Putro, Tri Tjahjono Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasuro e-mail: arianto_ayab@yahoo.co.id ABSTRAKSI Proses pembentukan biogas dari sampah organik dapat dilakukan dengan proses gasifikasi. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan desain dan konstruksi alat produksi gas metana dari sampah organik dengan cara dibakar, desain ini dilakukan untuk menutup kelemahan desain alat terdahulu, mengetahui pengaruh dimensi tangki absorber terhadap waktu nyala efektif gas metana dan jumlah kalor pendidihan air menggunakan bahan organik sekam padi. Tangki absorber memiliki dua tipe tangki A dan tangki B. Pengujian diawali dengan perakitan instalasi alat produksi gas metana dengan bahan bakar sampah organik sekam padi yang terdiri dari blower, reaktor pembakaran, tangki absorber, ember, pipa pvc, keran, kompor dan beberapa alat ukur lainnya yang dirangkai dalam satu sistem. Pembentukan gas menggunakan jenis thermal process gasification dan prinsip kerjanya menggunakan jenis updraft gasifikasi setiap 5 kg sekam padi meliputi volume air yang dapat didihkan, lama waktu nyala efektif serta perubahan temperatur 1 liter air setiap dua menit. Alat produksi gas metana dari sampah organik terdiri dari reaktor pembakaran dengan diameter 570 mm, tinggi 530 mm, diameter udara masuk 25 mm, diameter udara keluar 30 mm dan tangki absorber tipe A diameter 580 mm, tinggi 890 mm, diameter lubang isap 19 mm dan jumlah lubang 4 serta tangki absorber tipe B diameter 280 mm, tinggi 520 mm, diameter lubang isap 19 mm dan jumlah lubang 3. Hasil pengujian dengan tangki absorber tipe A dapat menyala selama 46 menit dan jumlah kalor pendidihan air 569,2 kj dan pada tangki absorber tipe B dapat menyala selama 36 menit dan jumlah kalor pendidihan air 569,2 kj. Kata Kunci: Gasifikasi, Biogas, Tangki absorber, Gas Metana, Kalor
PENDAHULUAN Latar Belakang Energi alternatif yang dapat diperbarui salah satunya adalah pengolahan sampah organik. Di Indonesia sering sekali kita jumpai sampah-sampah organik hanya terbuang sia-sia dan dibakar begitu saja. Padahal dengan dibakarnya sampah tersebut, sampah yang memiliki kandungan seperti gas metana, gas karbon monoksida dan senyawa lain lama-kelamaan memiliki dampak buruk bagi lingkungan yaitu mengakibatkan menipisnya lapisan ozon atau efek rumah kaca. Untuk menanggulangi hal tersebut, bagaimana cara memanfaatkan sampah untuk dijadikan gas metana agar dapat digunakan sebagai salah satu sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar LPG. Seiring pesatnya perkembangan teknologi, telah banyak ditemukan berbagai penelitian tentang teknologi pemanfaatan gas metana, salah satunya (Putra R.P, 2011) Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik Dengan Variasi Bahan Sampah Basah Kebun, Sampah Kulit Bawang dan Sampah Kering Kebun. Rancangan alat produksi gas metana tersebut terutama pada alat reaktor pembakaran terdapat kelemahan. Alat produksi gas metana tersebut didesain ulang untuk menutup kelemahan desain sebelumnya dan dalam pemurnian gas penggunaan tangki absorber dimensi yang disesuaikan dengan kebutuhan. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian yang dilakukan yaitu: 1. Untuk mendapatkan desain dan konstruksi alat produksi gas metana dari sampah organik dengan cara dibakar, 2. Dapat mengetahui perbedaan pengaruh dimensi pada tangki absorber terhadap waktu nyala efektif kompor dan jumlah kalor pembakaran gas metana dengan metode pendidihan air yang dihasilkan dari bahan organik sekam padi, dimana tangki absorber memiliki dua tipe tangki A dan B, tipe A diameter 580 mm dan tinggi 890 mm serta tangki absorber tipe B diameter 280 mm dan tinggi 520 mm. Tinjauan Pustaka Rony Permana P (2011), perancangan konstruksi reaktor sampah dengan penambahan kawat kasa sebagai pembantu distribusi udara dan cara pengolahan sampah organik menjadi energi serta pengukuran 2
waktu nyala efektif dan jumlah kalor yang dihasilkan gas metana dari sampah organik berupa sampah basah kebun, sampah kulit bawang dan sampah kering kebun dengan jenis thermal process gasification dengan spesifikasi sebagai berikut: reaktor pembakaran dengan dimensi tinggi 0.87 m, diameter 0.57 m, tinggi kawat kasa 0.5 m, diameter kawat kasa 0.03 m dan massa kosong 40 kg. Murjito (2009), mendesain alat penangkap gas metana pada sampah menjadi biogas yang mudah dirakit, murah dan berkinerja baik yang terbuat dari plastic polyethilene untuk skala kecil. Penelitian ini menghasilkan rancangan alat penangkap gas metana yang berbahan dasar plastic polyethilene dengan spesifikasi sebagai berikut: biodigester dengan volume total 11 m³, volume basah 8.8 m³, waktu proses 40 hari, isian bahan 220 kg/hari, luas lahan 18 m³, dan memilki penampung gas dengan dimensi tinggi 4.6 m, diameter 0.954 m, volume efektif 2.5 m³. Sunarto, S.B (2009), melalui UKM Agro Makmur Karangpandan, Karanganyar Jawa Tengah memanfaatkan sampah organik kering seperti jerami, sekam padi, dan bahan organik lainnya untuk dijadikan biogas, dimana bahan bakar dibakar didalam tungku yang ditutup rapat sehingga tidak ada udara yang masuk maupun yang keluar dari tungku, kemudian gas (asap) yang dihasilkan di alirkan ke pipa-pipa menuju tangki purifikasi dimana ditangki purifikasi terdapat batu bentonit dan zeolit. Gas yang melewati tangki purifikasi ini menghasilkan gas metana mendekati kadar murni yang dapat digunakan untuk bahan bakar kompor atau untuk menggerakkan generator listrik. Tasliman (2012), teknologi gasifikasi biomas. Sebagai sumber energi, biomas memiliki beberapa keuntungan terutama dari sifat terbarukannya, dalam arti bahan tersebut dapat diproduksi ulang. Selain itu, dari segi lingkungan, penggunaan biomas sebagai bahan bakar memiliki 2 segi positif yaitu bersifat mendaur ulang CO 2, sehingga emisi CO 2 ke atmosfir secara netto berjumlah nol dan sebagai sarana mengatasi masalah limbah pertanian. DASAR TEORI Pembakaran Pembakaran adalah reaksi cepat suatu senyawa dengan oksigen disertai dengan pembebasan kalor atau panas dan cahaya. 3
Berdasarkan gas sisa yang dihasilkan, pembakaran dibedakan menjadi dua macam, yaitu: 1. Pembakaran sempurna (complete combustion), terjadi apabila bahan bakar yang mengandung unsur C, H dan S bereaksi membentuk CO 2 dan H 2 O. 2. Pembakaran tidak sempurna, terjadi apabila proses pembakaran bahan bakar menghasilkan karbon monoksida (CO) dimana disebabkan oleh kurangnya persediaan oksigen. Dalam pembentukan gas metana ini menggunakan gasifikasi jenis thermal process gasification yaitu proses konversi termal pada suhu >600 C bahan bakar padat menjadi gas pada reaktor tertutup dengan pembakaran tidak sempurna dan prinsip kerjanya menggunakan jenis updraft gasifikasi dimana arah aliran padatan kebawah sedangkan arah aliran gas keatas. Gas Metana Metana adalah hidrokarbon yang sederhana berbentuk gas dengan rumus kimia CH 4. Metana merupakan komponen utama gas alam karena merupakan sumber bahan bakar utama. Gas metana bersifat tidak berbau, tidak berwarna dan sangat mudah terbakar, tetapi jika digunakan untuk keperluan komersial, biasanya ditambahkan sedikit bau belerang untuk mendeteksi kebocoran yang mungkin terjadi. Sebagai gas, metana hanya mudah terbakar bila konsentrasinya mencapai 5-15% diudara. Gas metana memiliki dampak pemanasan global 21 kali lipat dibandingkan dengan karbon dioksida. Gas ini banyak dihasilkan dari proses pelapukan biomassa disekitar kita. Namun, daya rusaknya terhadap lapisan ozon dapat dikurangi dengan cara mengubahnya menjadi energi yang dikenal dengan biogas atau gas bio. Kalor Energi kalor sering sekali digunakan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya untuk memasak air dengan energi kalor dari api. Kalor adalah bentuk energi yang merambat atau berpindah karena ada perbedaan suhu atau temperatur. Jumlah kalor dapat dinotasikan sebagai (Q) dan dapat diukur menggunakan pendekatan dari kalor yang diperlukan untuk mendidihkan air. Q = m x h.(1) 4
dimana: Q = banyaknya kalor, (J) m = massa, (kg) h= (hf 2 - hf 1 ) entalphi pendidihan air, (KJ/kg) Alat dan Bahan Penelitian 1. Reaktor pembakaran Alat ini digunakan untuk tempat proses pembakaran sampah organik. Metodologi Penelitian Diagram alir penelitian Pembuatan Desain Alat Proses Pembuatan Alat Uji Pembakaran Sampah Organik Sekam Padi Gambar 2. Reaktor pembakaran 2. Tutup reaktor pembakaran Alat ini digunakan sebagai penutup reaktor pembakaran dan pengarah aliran gas asap pembakaran. Tangki Absorber Tipe A Tangki Absorber Tipe B Pengambilan Data Temperatur air, Volume air dan Lama nyala efektif Analisis Data dan Penarikan Kesimpulan Pembuatan Laporan Gambar 3. Tutup reaktor 3. Pengaduk Alat ini digunakan untuk membantu proses sirkulasi sampah pada reaktor pembakaran. Gambar 1. Diagram alir penelitian 5
6. Blower Alat ini digunakan untuk menyuplai udara ke dalam ruang bakar. Gambar 4. Pengaduk 4. Tangki absorber Alat ini digunakan untuk mengurangi senyawa TAR pada gas metana (pemurnian gas). Gambar 7. Blower 7. Anemometer digital Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara dari blower. Gambar 5. Tangki absorber tipe A (kiri) dan Tangki absorber tipe B (kanan) 5. Kompor modifikasi Alat ini digunakan untuk membakar gas metana. Gambar 8. Anemometer digital 8. Timbangan analog Alat ini digunakan untuk menimbang berat bahan bakar yang akan digunakan. Gambar 6. Kompor Gambar 9. Timbangan analog 6
9. Stopwatch digital Alat ini digunakan untuk mencatat waktu pengambilan data. 12. Bahan penelitian yang digunakan sekam padi Gambar 13. Sekam padi Gambar 10. Stopwatch digital Instalasi Pengujian 10. Thermometer Alat ini digunakan untuk mencatat perubahan temperatur air. Gambar 14. Instalasi alat pembakaran sampah organik Gambar 11. Thermometer 11. Gelas ukur Alat ini digunakan untuk mengukur volume liquid smoke hasil pembakaran. Keterangan gambar: 1. Blower 2. Pintu abu 3. Reaktor pembakaran 4. Tutup reaktor 5. Pengaduk 6. Pipa 7. Tangki absorber 8. Antisipator ledakan 9. Katup/kran 10. Kompor Langkah Penelitian Gambar 12. Gelas ukur Langkah-langkah dalam melakukan penelitian secara garis besar dapat dijelaskan sebagai berikut: 7
1. Menimbang sekam padi dan membagi menjadi tiga bagian yaitu 2 kg, 1.5 kg dan 1.5 kg. 2. Mengisi air pada tangki absorber tipe A sampai 80% dari volume tangki. 3. Mengatur debit udara pembakaran. 4. Membuat bara api dari arang maupun kayu bakar di dalam reaktor pembakaran. 5. Memasukkan 2 kg sekam padi ke dalam reaktor pembakaran kemudian tunggu sampai asap tebal dan berwarna kekuningan 6. Menutup reaktor pembakaran dengan rapat dan membuka kran untuk mengurangi tekanan di dalam reaktor. 7. Mencatat waktu starting sampai gas metana yang dihasilkan berhasil dinyalakan. 8. Merebus air volume 1 liter 9. Mengambil data kenaikan temperatur air setiap dua menit pada satu liter air. 10. Memasukkan sekam padi 1,5 kg jika api sudah mulai padam dan 1,5 kg sekam berikutnya. 11. Mengganti air yang direbus sampai api tidak bisa dinyalakan. 12. Melakukan percobaan yang sama untuk penelitian menggunakan tangki absorber tipe B. HASIL DAN PEMBAHASAN Temperatur ( C) 100 90 80 70 60 50 40 30 Air ke- 1 Tangki A Air ke- 2 Tangki A Air ke- 1 Tangki B Air ke- 2 Tangki B 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Waktu (Menit) Gambar 15. Hubungan antara temperatur air dengan waktu gasifikasi 5 kg sekam padi menggunakan tangki absorber tipe A dan tangki absorber tipe B 8
Untuk mendidihkan air menggunakan tangki absorber tipe A dibutuhkan waktu selama 46 menit untuk 2 liter air dan memerlukan waktu yang berbeda. Untuk 1 liter air pertama diperlukan waktu 22 menit dan untuk 1 liter selanjutnya diperlukan waktu 24 menit. Pendidihan air menggunakan tangki absorber tipe B membutuhkan waktu selama 36 menit untuk 2 liter air dan memerlukan waktu yang berbeda. Untuk 1 liter air pertama diperlukan waktu 16 menit dan untuk 1 liter selanjutnya diperlukan waktu 20 menit. Dari 5 kg bahan bakar sekam padi menggunakan tangki absorber tipe A dapat terbakar sebanyak 3,3 kg dan 3,2 kg pada tangki absorber tipe B. Kalor pendidihan air, Q = m x (hf 2 hf 1 ) Q = 1 x (397,9 kj/kg 113,3kJ/kg) Q = 284,6 kj Qtotal = 2 x 284,6 = 569,2 kj Rata-rata laju energi pendidihan 1 liter air sebanyak 2 kali menggunakan tangki absorber tipe A didapat sebesar 206,63 J/s dan 266,82 J/s menggunakan tangki absorber tipe B. 300 Energi (J/s) 250 200 150 100 50 0 Tangki absorber tipe A Tangki absorber tipe B Gambar 16. Energi rata-rata pendidihan 2 liter air menggunakan tangki absorber tipe A dan tangki absorber tipe B pada 5 kg bahan sekam padi 9
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Alat produksi gas metana terdiri dari 4 alat utama, yaitu reaktor pembakaran, tangki absorber tipe A, tangki absorber tipe B dan pengaduk. a. Spesifikasi reaktor pembakaran: Tinggi albakos: 810 mm Massa kosong: 40 kg Tinggi ruang bakar: 530 mm Tinggi pengaman: 50 mm Diameter reaktor: 570 mm b. Spesifikasi tangki absorber tipe A: Tinggi tangki : 890 mm Diameter tangki: 580 mm Berat kosong : 25 kg Diameter lubang asap: 19 mm Jumlah lubang: 4 c. Spesifikasi tangki absorber tipe B: Tinggi tangki : 520 mm Diameter tangki: 280 mm Berat kosong : 10 kg Diameter lubang asap: 19 mm Jumlah lubang: 3 2. Pembakaran bahan organik sekam padi sebanyak 5 kg direaktor tidak terbakar total, disebabkan berkurangnya sumber api dan semakin mengecilnya debit udara sampai ke sampah yang terbakar karena terhalang oleh banyaknya arang sisa sehingga menghalangi masuknya udara ke tempat berlangsungnya proses pembakaran maka bahan sekam padi untuk tangki absorber tipe A hanya dapat terbakar sebanyak 3,3 kg dengan pendidihan air didapat sebanyak 2 liter dan jumlah kalor pembakaran gas metana sebesar 569,2 kj dengan ratarata laju energi sebesar 206,63 J/s dengan waktu nyala efektif 46 menit serta tangki absorber tipe B bahan hanya dapat terbakar sebanyak 3,2 kg dengan pendidihan air sebanyak 2 liter dan jumlah kalor sebesar 569,2 kj dengan rata-rata laju energi sebesar 266,82 J/s dan waktu nyala efektif selama 36 menit. Saran 1. Pada tahap pemurnian gas ditambah purifikasi supaya gas metana yang dihasilkan lebih bersih atau menggunakan sistem scruber dan cyclon. 2. Reaktor pembakaran dibuat diameter lebih kecil sekitar 300 mm dengan tinggi disesuaikan kebutuhan dan pemasukan udara ke reaktor harus besar agar api terus menyala, reaktor tidak perlu alat pengaduk. 3. Saat melakukan pengujian hendaknya kondisi lingkungan harus sama untuk menjaga kualitas data pengujian. 10
DAFTAR PUSTAKA Daryanto. 2000. Fisika Teknik. Jakarta: Rineka Cipta Hadiwiyoto, Soewedo. 1983. Penanganan dan Pemanfaatan Sampah. Jakarta: Yayasan Idayu Hambali, Erliza. 2007. Teknologi Bioenergi. Jakarta Selatan: Agro Media Holman J. P. 1980. Thermodynamics. Tokyo: McGraw-Hill-Inc Murjito. 2009. Alat Penangkap Gas Metana Pada TPA dari Plastic Polyethylene Untuk Skala Kecil, Universitas Sumatera Utara, Medan. Putra, R.P. 2011. Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik Dengan Variasi Bahan Sampah Basah Kebun, Sampah Kulit Bawang, dan Sampah Kering Kebun dengan jenis thermal process gasification. Skripsi. Surakarta: Fakultas Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Surakarta. Syawal, I. 2011. Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik Dengan Variasi Bahan Sekam Padi, Tempurung Kelapa, dan Serbuk Gergaji Kayu. Skripsi. Surakarta: Fakultas Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Surakarta. Yulianto. 2011. Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana Dari Sampah Organik Jenis Sekam Padi Dengan Variasi Debit Udara Pembakaran 0.026 m 3 /s, 0.023 m 3 /s dan 0.020m 3 /s. Skripsi. Surakarta: Fakultas Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Surakarta. http://id.wikipedia.org/wiki/biogas Diakses 2 maret 2013 pukul 16.15 http://id.wikipedia.org/wiki/metana Diakses 2 maret 2013 pukul 16.15