BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG Penggunaan energi besar-besaran telah membuat manusia mengalami krisis energi. Ini disebabkan ketergantungan terhadap bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan gas alam yang sangat tinggi. Sebagaimana kita ketahui, bahan bakar fosil merupakan sumber daya alam yang tidak terbarukan. Untuk mengatasi krisis energi masa depan, beberapa alternatif sumber energi mulai dikembangkan, salah satunya adalah energi biomassa. Biomassa, dalam industri produksi energi, merujuk pada bahan biologis yang hidup atau baru mati yang dapat digunakan sebagai sumber bahan bakar atau untuk produksi industrial. Umumnya biomassa merujuk pada materi tumbuhan yang dipelihara untuk digunakan sebagai biofuel, tapi dapat juga mencakup materi tumbuhan atau hewan yang digunakan untuk produksi serat, bahan kimia, atau panas. Biomassa dapat pula meliputi limbah terbiodegradasi yang dapat dibakar sebagai bahan bakar. Biomassa tidak mencakup materi organik yang telah tertransformasi oleh proses geologis menjadi zat seperti batu bara atau minyak bumi. Pada
awalnya,
biomassa
dikenal
sebagai
sumber
energi
ketika
manusia
membakar kayu untuk memasak makanan atau menghangatkan tubuh pada musim dingin. Kayu merupakan sumber energi biomassa yang masih lazim digunakan tetapi sumber energi biomassa lain termasuk bahan makanan hasil panen, rumput dan tanaman lain, limbah dan residu pertanian atau pengolahan hutan, komponen organik limbah rumah tangga dan industri, juga gas metana sebagai hasil dari timbunan sampah. Sebagai bahan bakar, biomassa perlu diolah terlebih dahulu agar dapat dengan mudah
dipergunakan.
Proses
ini
dikenal
sebagai
konversi
biomassa.
Beberapa proses tersebut adalah proses gasifiksi / gasifer biomasaa. Gasifikasi merupakan proses yang menggunakan panas untuk merubah biomassa padat atau padatan berkarbon lainnya menjadi gas sintetik "seperti gas alam“ yang mudah
terbakar. Melalui proses gasifikasi, kita bisa merubah hampir semua bahan organik padat menjadi gas bakar yang bersih, netral. Gas yang dihasilkan dapat digunakan untuk pembangkit listrik maupun sebagai pemanas. Gasifikasi merupakan proses thermal, di mana
pemanasan biomassa dalam lingkungan oksigen yang rendah menghasilkan campuran gas yang disebut syngas atau gas sintesis.Gas ini terdiri dari terutama hidrogen dan karbon monoksida. Tergantung pada efisiensi proses gasifikasi menggunakan gas yang sangat bersih dapat diproduksi. Gas ini dapat digunakan untuk beberapa tujuan, bahkan dalam satu terlalu satu rasio dalam mesin pembakaran internal seperti yang dilakukan besar-besaran dalam perang dunia 2. Namun aplikasi transportasi bukan cara yang paling praktis untuk mengambil keuntungan dari gasifikasi biomassa. Cara terbaik untuk mengambil keuntungan dari gasifikasi biomassa adalah untuk menghasilkan baik listrik dan panas, biomassa CHP. Studi tentang biomassa telah banyak dilakukan di negara maju seperti Jepang, Jerman, Inggris dan sebagainya. Hanya saja untuk menjadikan biomassa sebagai produk komersial, masih diperlukan langkah dan perhatian lebih lanjut, baik dari kalangan ilmuwan, masyarakat maupun pemerintah. Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil yang sudah membudaya harus pelan-pelan dialihkan ke sumber energi lain yang terbarukan dan ramah lingkungan. Namun dari alternatif-alternatif seperti yang telah disebutkan, tentunya langkah terbaik adalah dengan menghemat pemakaian energi, apapun itu bentuknya.
BAB II PEMBAHASAN
Gasifier biomassa adalah proses pengubahan materi yang mengandung karbon seperti batu bara , minyak bumi, maupun biomassa kedalam bentuk karbon monoksida (CO) dan hydrogen (H 2) dengan mereaksikan bahan baku yang digunakan pada tempratur tinggi dengan jumlah oksigen yang di atur. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengubah unsureunsur pokok dari bahan bakar yang digunakan digunakan ke dalam bentuk gas yang mudah dibakar, sehingga hanya menyisahkan abudan sisa-sisa material (inert).
A. Prinsip Dasar Gasifier Biomassa Prinsip gasifier biomassa dilakukan dengan cara melakukan pembakaraan secara tidak sempurna didalam sebuah ruangan ruangan yang mampu menahan menahan tempratur tinggi yang disebut gasifikasi. Agar pembakaran tidak sempurna dapat terjadi , maka udara dengan jumlah yang sedikit
dari kebutuhan stokiometrik
pembakaran
di alirkan kedalam
reactor untuk mensuplai kebutuhan oksikgen mengunakan fan/blower. Proses pembakaran yang terjadi menyebabkan reaksi termo-kimia yang menghasilkan CO, H 2, dan gas metan(CH 4).
B. Pridiksi Kamposisi Gas Hasil Gasifier/Gasifikasi Pengenalan mengenai konsep kestimbangan air-gas, secara teori didapat gas dari gasifier dimana yang telah mencapai keseimbangan pada tempratur yang ditentukan, seperi yang ditunjukan oleh Tobler dan Sclaepfer (Schlapter & tobler, 1937). Caranya adalah dengan mendapatkan kesimbangan massa dari empat elmen utama yang digunakan digunakan (karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen), nitrogen), suatu keseimbangan keseimbangan energy atas system dari keseimbangan air-gas. Dengan mengasumsikan sejumlah metan pada produksi gas
per kg dari bahan bakar kering kering adalah konstan konstan (seperti halnya
gasifikasi pada kondisi kondisi normal), sebuah data data dapat menjadi perhitungan perhitungan dari komposisi
gas untuk beberapa masukan parameter (bahan bakar) dan kareteristik system (panas yang hilang karena konveksi, radiasi dan panas sensible pada gas). Umumnya hasil yang didapat berdasarakan percobaan, yaitu gasifikasi dengan tipe downdraught yang dioprasikan dengan kandungan bahan bakar bakar sedikit atau sedang (kayu 20% dan arang 7%). Table dibawah ini memberikan komposisi yang terdapat pada kayu pada umumnya dan arang.
Kandungan Gas Dari Gasifikasi Kayu Dan Arang Komponen
Gas dari kayu (vol.%)
Gas dari arang(vol.%)
Nitrogen
50-54
55-65
Karbon monoksida
17-22
28-32
Karbon dioksida
9-15
1-3
Hydrogen
12-20
4-10
2-3
0-2
5000-5900
4500-5600
Metan 3
Nilai pemanasan gas (Kj/m )
Sumber: Food and Agriculture Organization of The United Nations (1986, p. 17)
C. Proses Gasifikasi/Gasifier Gasifikasi/Gasifier Proses gasifkasi telah dikenal sejak abad lalu untuk mengolah batubara, gambut. Atau kayu menjadi bahan bakar gas yang kini mulai dimanfaatkan. Pada tahun-tahun terakhir ini. Proses gasifikasi mendapat perhatian kembali di seluruh dunia, terutama untuk mengolah biomassa sebagai sumber energi alternatif yang terbaharukan. Proses-proses dari gasifikasi meliputi Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik).
1. Pengeringan:
Pada pengeringan, kandungan air pada bahan bakar padat diuapkan oleh panas yang diserap dari proses oksidasi.
2. Pirolisis
Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang atau padatan karbon bahan bakar juga menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi. Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis yang dimulai secara lambat pada T 700 °C. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama pirolisis berlangsung. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 °C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, seperti lignin pada biomassa dan volatile matters pada batubara, pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya.
Produk cair yang menguap mengandung tar dan PAH ( polyaromatic hydrocarbon). Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H 2, CO, CO 2, H2O, dan CH4), tar, dan arang.
3. Oksidasi (Pembakaran):
Pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat pada bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik. Oksidasi atau pembakaran arang merupakan reaksi terpenting yang terjadi di dalam gasifier. Proses ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Oksigen yang dipasok ke dalam gasifier bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar. Hasil reaksi tersebut adalah CO 2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada pirolisis. Reaksi yang terjadi pada proses pembakaran adalah: C + O2 --> CO2 + 393.77 kJ/mol karbon Reaksi pembakaran lain yang berlangsung adalah oksidasi hidrogen yang terkandung dalam bahan bakar membentuk kukus. Reaksi yang terjadi adalah: H2 + ½ O2 --> H2O + 742 kJ/mol H 2 4. Reduksi (Gasifikasi)
Reduksi atau gasifikasi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Produk yang dihasilkan
pada proses ini adalah gas bakar, seperti H 2, CO, dan CH 4. Reaksi berikut ini merupakan empat reaksi yang umum telibat pada gasifikasi. C + H2O --> H2 + CO – 131.38 kJ/kg mol karbon CO2 + C --> 2CO – 172.58 kJ/mol CO + H2O --> CO2 + H2 – 41.98 kJ/mol C + 2H2 --> CH4 + 74.90 kJ/mol karbon Berikut merupakan bagan proses Gasifikasi
Dengan unsur utama karbon, hidrogen dan oksigen. hampir semua jenis biomassa dapat dipakai sebagai umpan gasifikasi. Tetapi agar prosesnya berjalan lancar, ada persyaratan teknis yang perlu diperhatikan: a. kadar air biomassa tidak lebih dari 30% b. bentuk partikel mendekati bulat atau kubus, bukan panjang atau pipih c. ukuran partikel antara 0,5 - 5,0 cm d. tidak banyak mengandung zat-zat anorganik
e. rapat massanya di atas 400 kg/m2
Untuk memenuhi persyaratan tersebut di atas, kadang-kadang diperlukan pengolahan awal seperti: pengeringan. pemotongan atau pemampatan. Di samping itu biomassa harus tersedia dalam jumlah yang cukup secara kontinyu, nilai ekonomisnya rendah atau tidak ada manfaat lainnva. Kayu, batok kelapa, tongkol jagung dan batok sawit merupakan biomassa yang mendekati persyaratan tersebut diatas Sekam padi. serbuk gergaji, sabut kelapa. kulit kopi danl lain-lainnya adalah contoh biomassa yang perlu penanganan khusus untuk untuk proses gasifikasi. Berikut adalah gambar dari alat gasifikasi :
D. Factor-Faktor Yang Yang Pempengaruhi Proses Gasifikasi Gasifikasi Penelitian mengenai gasifikasi sekam padi telah member petunjuk mengenai factorfaktor yang mempengaruhi proses gasifikasi. Factor-faktor tersebut di antaranya adalah:
A. Kandungan energy bahan reactor yang digunakan d igunakan Bahan reactor dengan kandungan energi yang tinggi akan memberikan pembakaran gas yang lebih baik. B. Kandunan air dari bahan reactor yang digunakan Bahan reactor dengan tingkat kelembaban yang lebih rendah akan lebih mudah di gasifikasikan dari pada bahan reactor dengan ingkat ingkat kelembaban yang lebih tinggi. C. Distribusi ukuran bahan reactor. Dstribusi ukuran bahan reactor yang tidak seragam akan menyebabkan bahan reactor yang digunakan lebih sulit terkarbonisasi karena pembakaran yang tidak merata, dan mempengaruhi proses gasifikasi. D. Tempratur reactor gasifikasi Tempratur reactor ketika proses gasifikasi berlangsung sangat pempengaruhi produksi yang dihasilkan untuk untuk mempertahankan tempratur tempratur di dalam reactor tetap tetap tinggi.
E. Jenis-Jenis Gasifier Biomassa Gasifier unggun tetap (Fixed bed gasifier) menggunakan sejumlah bahan padat dimana udara dan gas dapat lewat baik ke atas maupun ke bawah. Jenis ini merupakan tipe yang paling sederhana dan hanya digunakan untuk aplikasi dalam skala kecil. Yang termasuk dari jenis ini adalah up, down dan cross draft gasifier. Down-draft gasifier (Gambar 1) dikembangkan untuk merubah bahan bakar volatile (kayu, biomassa) menjadi gas dengan kandungan tar rendah. Up-draft gasifier (Gambar 1) umum digunakan untuk gasifikasi batubara dan bahan bakar non-volatil seperti arang batu-bara. Namun demikian, karena tingginya kandungan tar-nya (5-20%) membuatnya tidak praktis untuk bahan bakar motor. Kros-draft gasifier (Crossdraft gasifier) merupakan gasifier yang paling sederhana dan paling ringan (Gambar 1). Sedangkan gasifier unggun terfluidakan (fluidized bed gasifier) lebih umum digunakan untuk skala besar dan gasifier yang menggunakan partikel yang relatif kecil. Dalam hal ini udara dialirkan dengan kecepatan tinggi sehingga bisa mengangkat partikel padatan. Gasifier suspensi partikel (suspended particle gasifier) menggerakkan suspensi menuju tungku panas, menyebabkan terjadinya
pirolisa, pembakaran dan reduksi. Tipe ini hanya digunakan untuk gasifiksi skala besar. Untuk selanjutnya hanya akan dijelaskan lebih rinci mengenai gasifier unggun tetap (kros, up dan down-draft) [6].
Gambar 1 Jenis-jenis gasifier unggun tetap
a. Cross-draft gasifier Pada tipe cross-draft (Gambar 2) ini, udara masuk melalui beberapa aliran sirkulasi, dan mengalir sepanjang unggun dari bahan baku dan kokas (char). Hal ini menghasilkan temperatur yang sangat tinggi pada volume yang sangat kecil sehingga menghasilkan gas tar yang rendah, sehingga memudahkan pengaturan yang cepat bagian pembakaran gas hasil gasifikasi. Bahan bakar beserta abu berguna sebagai isolator sepanjang dinding konstruksi gasifier, sehingga mild-steel dapat digunakan sebagai material konstruksi kecuali tempat saluran masuknya udara dan grate-nya yang memerlukan bahan lain, refraktori atau pendingin. Saluran berpendingin udara atau air cukup umum digunakan. Pencapaian temperatur yang tinggi memerlukan bahan bakar dengan kadar abu rendah untuk mencegah penyumbatan. Gasifier tipe crossdraft hanya digunakan untuk kandungan bahan bakar dengan kandungan tar rendah. Beberapa yang berhasil menemukan adanya biomassa yang tidak terpirolisa, dan memerlukan pengaturan jarak antara saluran masuk udara dan grate. Bahan baku yang tidak tersortir dengan baik cenderung menyebabkan bridging, dan chanelling sehingga menyumbat inti ruang pembakaran yang memicu produksi tar yang tinggi. Ukuran bahan baku juga sangat penting untuk pengoperasian yang baik [7].
Gambar 2. 8 Cross-draft gasifier
b. Down-draft gasifier Bagian atas dari silinder gasifier (Gambar 3) diisi bahan bakar yang selama operasi, diposisikan tertutup. Di bagian bawah, terdapat saringan dan saluran udara untuk mengalirkan udara ke biomassa yang siap di gasifikasi. Biasanya saluran udara dihubungkan dengan distributor udara biasanya fan atau blower. Distributor ini juga terhubung dengan udara luar untuk menyediakan udara yang cukup untuk pembakaran. Biasanya juga terdapat lubang untuk pembakaran awal dalam memulai proses gasifikasi. Selama operasi, udara yang masuk membakar dan mempirolisa sebagian bahan bakar, sebagian besar tar dan minyak, dan sebagian arang yang mengisi gasifier. Sebagian besar padatan dikonversi menjadi biomassa di zona pembakaran ini karena biomassa mengandung sekitar 80% senyawa volatil. Dibawah zona oksidasi merupakan zona reduksi, yang merupakan bagian inti gasifier (Gambar 3). Gas CO2 dan H2O yang dihasilkan di zona pirolisis dan pembakaran mengalir melalui arang ini dimana terjadi reduksi parsial membentuk gas CO dan H2. Proses ini menyebabkan pendinginan gas karena sebagian panas dirubah menjadi energi kimia. Proses ini menghilangkan sebagian besar arang/kokas dan meningkatkan kualitas dari syn-gas. Umumnya gasifier dilengkapi grate yang bisa di getar-getarkan untuk membersihkan gasifier dari penyumbatan oleh abu [7].
Gambar 3 Down-draft gaisifier
c. Up-draft gasifier Tipe ini (Gambar 4) telah umum digunakan untuk bahan bakar batubara sejak 150 tahun yang lalu. Selama pengoperasian, biomassa diumpankan di bagian atas sementara udara masuk melalui grate yang umumnya di selubungi oleh abu. Grate berada dibagian bawah gasifier, dimana udara bereaksi dengan biomassa menghasilkan CO2 yang sangat panas dan H2O. Sebaliknya, CO2 dan H2O bereaksi kembali dengan kokas menghasilkan CO dan H2. Temperatur dibagian grate harus dibatasi dengan menambahkan kukus atau resirkulasi gas keluaran untuk mencegah rusaknya grate dan penyumbatan akibat tingginya temperatur ketika karbon bereaksi dengan udara. Gas panas yang naik mempirolisa biomasa diatasnya kemudian mendingin sepanjang proses. Biasanya 5-20 persen tar dan minyak terbentuk pada suhu yang terlalu rendah dan terbawa pada aliran gas produk. Panas yang tersisa juga mengeringkan biomassa yang masuk sehingga hampir tidak ada energi yang hilang dari gas. Up-draft gasifier terbtas digunakan hingga kapasitas 10 giga joule/jam.m2 dibatasi oleh stabilitas unggun atau fluidisasi, pengerakan atau pemanasan berlebih yang menurunkan efesiensi [7].
Gambar 4 Up-draft gasifier
F. Pemanfaatan Gasfikasi Gas hasil gasifikasi terutama terdiri dari gas-gas mempan bakar yaitu CO, H 2, dan CH4 dan gas-gas tidak mempan bakar CO 2, dan N 2. Komposisi gas ini sangat tergantung pada komposisi unsur dalam biomassa, bentuk dan partikel biomassa, serta kondisikondisi proses gasifikasi. Dengan panas pembakaran antara 3000 - 5000 Watt, gas ini dapat diumpankan ke dalam motor bakar torak maupun sebagaI bahan bakar untuk pemanas. Motor bensin maupun motor diesel dapat digabungkan dengan perangkat gasifikasi untuk memanfaatkan gas hasil. Untuk maksud ini, gas hasil dialirkan ke dalam aliran udara masuk motor, dengan sambungan pipa silang atau sistem injeksi. Sambungan silang sangat sederhana dan murah sesuai untuk kapasitas rendah. Sedangkan sistem injektor agak rumit pembuatanya tetapi dapat memberikan pencampuran gas-udara yang lebih baik, dan sesuai untuk kapasilas tinggi. Disamping panas pembakarannya, gas hasil harus memenuhi persyaratanpersyaratan berikut ini agar tidak mengurangi performansi dan umur motor: a. kandungan tar tidak lebih dari 100 mg/m3 b. kandungan abu maksimum 50 mg/m3 c. ukuran debu tidak lebih dan 10 mikrometer o
d. temperatur gas di bawah 40 C
Dalam motor bensin, seluruh kebutuhan bensin dapat digantikan dengan gas. Daya motor dapat diatur dengan pengaturan laju alir campuran gas-udara dengan komposisi tetap. Karena kecepatan pembakaran gas kurang daripada kecepatan pembakaran bensin. maka waktu pengapian busi harus diajukan, kira-kira 15 derajat lebih atas. Dalam motor diesel, tidak seluruh kebutuhan solar dapat digantikan. Karena sedikit solar tetap diperlukan untuk sarana pengapian. Operasi ini disebut sebagai sistem bahan bakar ganda. Dalam praktek, komposisi bahan bakar ganda ini kira-kira 20% solar dan 80% gas. Pengaturan daya motor dapat dilakukan dengan pengaturan laju alir gas, sementara laju alir solar diatur pada kebutuhan minimum untuk sarana pengapian. Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh motor bensin maupun motor diesel dengan bahan bakar gas turun sampai kira-kira 70% dari daya aslinya. Motor untuk penggunaan gas hasil gasifikasi sebaiknya dipilih yang mempunyai kecepatan nominal 1500 putaran permenit. Berdasarkan pengalaman di ITB, satu liter bensin atau solar dapat digantikan dengan 7,5 m2 gas dari gasifikasi 4 kg kayu atau 6 kg sekam. Gas hasil biomassa tergolong gas bahan bakar berkualitas rendah (dibandingkan dengan panas pembabwan gas alam 32000kJ/m3). Gas hasil gasifikasi dapat digunakan untuk motor diesel, motor bensin, atau alat pemanasan dan pengeringan. Gasifikasi biomassa dapat mengurangi ketergantungan akan bahan bakar minyak di tempattempat terpencil. 3
3
Secara teoritik satu m gas hasil gasifikasi biomassa memerlukan 1,2 m udara o
untuk pembakaran, dan menghasiIkan temperatur 1600 C. Pada prakteknya, o
temperatur pembakar-an gas ini hanya berkisar antara 700 -1200 C. Berdasarkan kualitasnya, gas hasil ini tidak ekonomis bila disimpan atau didistribusikan tetapi harus dimanfaatkan di tempat proses gasifikasi. Penggunaan gas yang paling sesuai adalah untuk pengeringan hasil-hasil pertanian, perkebunan dan kehutanan yang tidak memerlukan temperatur terlalu tinggi.
G. Gambar Gasifier Biomassa
Gas dari gasifikasi batu bara
Gas hasil gasifikasi sekam padi.
Gas hasil gasifikasi
Gas hasil gasifikasi batok kelapa.
Gasifikasi Untuk Industri Kecil
Gasifikasi Untuk Industri Kecil
BAB III PENUTUP
A. KESIMPULAN
Gasifier biomassa adalah proses pengubahan materi yang mengandung karbon seperti batu bara , minyak bumi, maupun biomassa kedalam bentuk karbon monoksida (CO) dan hydrogen (H 2) dengan mereaksikan bahan baku yang digunakan pada tempratur tinggi dengan jumlah oksigen yang di atur. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengubah mengubah unsure-unsur pokok dari bahan bakar bakar yang digunakan ke ke dalam bentuk gas yang mudah dibakar, sehingga hanya menyisahkan abudan sisasisa material (inert).
Prinsip kerja melakukan pembakaran secara tidak sempurna didalam ruangan yang mamp menahan temptarur tinggi.
Tingkat kualitas gas hasil gasifikasi dapat ditentuan dari kandungan karbon di dalamnya. semakin tinggi karbon yang terkandung di dalam gas hasil gasifikasi tersebut dikatakan berkualitas. Karbon seagai parameter dari kualitas gas hasil gasifikasi karena karbon merupakan pembangkit utama panas selama pembakaran.
B. Saran Potensi gasifier biomassa untuk dijadikan sebagai energy alternative untuk mengantikan BBM perlu mendapat perhatian khusus untuk kembangkan karena bahan untuk membuat biomassa sebagai energy alternative sangat melipah di negeri kita. Sebaiknya ada kerja sama dari pemerintah dan perguruan tinggi untuk mempromosi gasisfier lebih infresif, kemudian perlu dilakukan penelitian lebih lanjut unuk mendapatkan gas dari gasifier lebih lebih baik dari apa yang ada sekarang.
