3. bab ii.pdf
TRANSCRIPT
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Biomassa
Biomassa adalah sumber energi yang dapat diperbaharui
secara umum berasal dari makhluk hidup (non-fosil) , dimana biomassa
tersebut meliputi materi yang berasal dari proses biologis bahan
organik yang hidup maupun yang mati, baik yang di atas permukaan
tanah maupun yang ada di bawah permukaan tanah. Biomassa
merupakan produk fotosintesa dimana energi yang diserap digunakan
untuk mengkonversi karbondioksida dengan air menjadi senyawa
karbon, hidrogen, danoksigen. Biomasa bersifat mudah didapatkan,
ramah lingkungan dan terbarukan (McKendry, 2002). Biomassa adalah
sumber energi terbarukan yang tidak memiliki kontribusi terhadap
emisi gas efek rumah kaca pada atmosfer, hal ini karena gas CO2
dilepaskan selamater jadi pembakara nbiomassa sama hal nya ketika
C02 yang melalui proses fotosintesis saat menjadi tanaman (Strezov,
2015)
Pada umumnya biomassa mengandung tiga komponen
penting; selulosa (40%β50%), hemiselulosa (20%β30%), lignin (20%β
25%), dan beberapa kandungan lainnya, dengan perbedaan rasio yang
bermacam-macam tergantung dari jenis biomassa itu sendiri. Kadar
rasio pada selulosa/hemiselulosa dan lignin merupakan salah satu
faktor penentu dalam identifikasi kesesuaian jenis tanaman untuk
pengolahan selanjutnya sebagai sumber energi. Selulosa adalah
polimer glukosa, yang terdiri dari rantai lurus unit monomer (1,4)-D-
glukopiranosa (C6), di mana setiap unitnya dihubungkan dalam
konfigurasi pada posisi 1β4, dengan berat molekul sekitar 100.000.
Hemiselulosa adalah campuran polisakarida (dari monomer C5 dan
C6), terdiri hampir seluruhnya adalah gula seperti glukosa, manose,
xilosa, arabinosa dan yang lainnya dengan berat molekul rata-rata
sekitar 30.000. Berbeda dengan selulosa, ikatan unit monomer pada
hemiselulosa adalah bercabang terikat erat secara acak dan ke
permukaan setiap mikrofibril selulosa. Adapun untuk lignin, meski
struktur tepatnya belum bisa dipastikan, namun lignin dapat dianggap
sebagai grup amorf tiga dimensi yang terdiri dari struktur metoksi
fenilpropana. Ada tiga monomer utama yang membentuk struktur
6
lignin (monolignol) adalah: alkohol p-koumaril, koniferil, dan sinapil.
Monolignol ini membangun struktur lignin dalam ikatan
phenylpropanoids p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G) dan syringyl (S),
yang menyebabkan tingginya berat molekul total lignin (Saxena,2009)
2.2 Pembakaran Biomassa
Pembakaran (combustion) merupakan reaksi oksidasi yang
cepat pada temperatur tinggi antara oksigen dengan unsur-unsur bahan
bakar yang dapat terbakar. Tujuan utama dari pembakaran, yaitu untuk
melepaskan energi dalam bahan bakar, dengan seminimal mungkin
terjadi kehilangan yang disebabkan oleh pembakaran yang tidak
sempurna dan udara lebih. Senyawa yang dihasilkan dari proses ini
yaitu, SOx, NOx, C, CO, H, N, S, CO2, dan H2O (Firdaus, 2012).
Pembakaran dibagi menjadi dua tahapan, yakni pembakaran langsung
dan pembakaran tidak langsung. Ketika bahan bakar dimasukkan pada
ruang bakar dan di beri nyala api, maka bahan bakar tersebut langsung
terbakar dan dihasilkan nyala api untuk tahapan pembakaran
selanjutnya. Proses ini dinamakan proses pembakaran langsung,
misalnya open fire. Sedangkan untuk pembakaran tidak langsung
memerlukan perlakuan termal untuk memicu terjadinya reaksi kimia
dan dihasilkan gas yang mudah terbakar. Pembakaran tidak langsung
ini menggunakan sistem gasifikasi, pyrolysis dan semi-gasifikasi
(Zhao, 2012).
Terdapat dua jenis pembakaran yang didasarkan pada gas sisa yang
dihasilkan, yaitu :
1. Pembakaran sempurna
Pembakaran ini tidak menyisakan bahan yang tersisa.
Semua konstituen yang terbakar akan membentuk gas CO2, air
(H2O) dan sulfur (SO2).
2. Pembakaran tidak sempurna
Dalam pembakaran yang tidak sempurna ini
menghasilkan gas karbon monoksida (CO), hal tersebut karena
kurangnya oksigen dalam proses pembakarannya (Handoyo,
2013).
Berdasarkan ketersediaan udara, terdapat beberapa hal yang terjadi
dalam pembakaran yaitu :
a. Pembakaran dengan udara kurang
7
Pada pembakaran ini, akan terjadi pengurangan
perpindahan panas dan panas hilang yang diakibatkan karena
kelebihan bahan bakar serta ada bahan bakar yang tidak
terbakar. Hasil pembakaran yang dihasilkan yaitu CO2, CO,
uap air, O2, serta N2.
b. Pembakaran dengan udara berlebih
Berkurangnya perpindahan panas dan panas hilang
akibat dari udara yang berlebih. Hasil pembakarannya seperti
CO2, uap air, O2 dan N2.
c. Pembakaran dengan udara optimum
Terjadi perpindahan panas yang maksimal dan panas
yang hilang minimum. Hasil pembakarannya seperti CO2, uap
air dan N2 (Dalimunthe, 2006).
Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan karbondioksida (CO2)
dan penguapan air (H2O) sesuai dengan persamaan berikut.
Persamaan stoikiometri pembakaran menyeluruh :
πΆπ’π»π£ππ€ππ₯ππ¦ + (π’π£
4β
π€
4+ π¦) (π2 + 3,76π2)
β π’πΆπ2 +π£
2π»2π + π¦ππ2
+ [3,76 (π’π£
4β
π€
2+ π¦) +
π₯
2] π2 β¦ β¦ . (2.1)
Tujuan stoikiometri adalah untuk menentukan dengan tepat
banyaknya udara yang harus digunakan untuk mengoksidasi bahan
bakar untuk menghasilkan Karbondioksida (CO2), uap air, Nitrogen
dan Sulfur dioksida.
2.3 Konversi Biomassa
2.3.1 Gasifikasi
Gasifikasi merupakan salah satu proses pengubahan bertahap
dari bahan bakar padat dengan ketersediaan oksigen yang terbatas
sehingga gas yang dihasilkan masih berpotensi untuk terbakar, dimana
hampir semua bahan organik dari biomassa diubah menjadi gas bakar
yang bersih dan netral ( Faaij, 2006).
8
Penggunaan reaktor gasifikasi memiliki keuntungan yaitu gas
yang dihasilkan akan lebih bersih. Pada proses pembakaran
(combustion), sebagian arang yang memiliki kandungan karbon (C)
akan bereaksi dengan oksigen membentuk CO2 dan CO dan akan
menghasilkan panas. Untuk proses gasifikasi, proses arang yang
menjadi gas akan melalui beberapa reaksi yaitu:
C+CO2 β 2CO (2.2)
C+CH2O β H2+CO (2.3)
C+2H2 β CH4 (2.4)
2.3.2 Pirolisis
Pirolisis berasal dari kata Pyro yang berarti api dan Lyo yang
merupakan pelepasan atau kehilangan. Pirolisasi adalah suatu proses
dekomposisi kimia yang terjadi pada bahan organik melalui proses
pemanasan tanpa oksigen atau reagen lainnya, dimana material mentah
akan mengalami pemecahan struktur kimia menjadi fase gas. Pirolisis
yang hanya mengahsilkan karbon dengan jumlah yang sangat
signifikan sebagai residu, disebut karbonisasi. Karbonisasi berfungsi
untuk meningkatkan nilai kalor karena pelepasan kandungan air, juga
pembentukan tar yang bisaber fungsi mencegah penyerapan kembali
kandungan air. Pirolisis menghasilkan arang karbon, minyak, dan gas
yang dapat dibakar. Besarnya produk yang akan dihasilkan dipengaruhi
kondisi proses, terutama temperatur dan laju pemanasan. Udara primer
memiliki pengaruh terhadap laju dan intensitas prilosis. Semakin
sedikit aliran udara primer, maka gas pirolisis yang terbentuk akan
semakin sedikit (Roth,2011;Tanto,2011)
2.4 Kompor Biomassa
Kompor Biomassa adalah system yang membakar bahan
biomassa untuk memproduksi kalor melalui pembakaran untuk
penggunaan proses memasak disesuaikan dengan kebutuhan pemakai
(Rizqiardihatno, 2008).
9
Rancangan kompor gas biomassa yang digunakan dalam
penelitian merupakan kompor biomassa yang dikembangkan untuk
memiliki karakteristik seperti kompor LPG, yaitu membakar gas hasil
pembakaran untuk meminimalisir kadar emisi serta diperoleh nyala api
biru. Menurut Nurhuda Kompor Biomassa UB adalah kompor yang
bekerja dengan sistem gasifikasi terpanaskan dan pembakaran secara
turbulen. Prinsip kerjanya yaitu mengolah asap menjadi api dengan
cara pergerakan turbulen sehingga menyebabkan pembakaran yang
sempurna. Gerakan turbulen yang terbentuk merupakan hasil dari
aliran gasifikasi terpanaskan dan aliran udara sekunder untuk
berkontak lama dengan volatile matter. Kompor Biomassa UB
menghasilkan pembakaran yang efisien karena aliran udaranya
mengarah keatas dan melawan nyala api yang keatas. Mekanisme ini
disebut dengan counter flow burning mechanism (Nurhuda, 2010).
Gambar 2. 1Kompor Biomassa UB
2.5 Efisiensi Pembakaran
Efisiensi merupakan hasil pembakaran berupa persentase panas
yang berguna dibandingkan dengan panas yang diberikan alat masak
selama pengujian. Efisiensi keseluruhan dapat dinyatakan dalam
persamaan sebagai berikut (Syamsuri, 2013)
10
%100.
.))(..( 12x
Em
HmTTcmcm
ff
espapaaa
all
(2.5)
Keterangan:
Ξ·all= efisiensi secara keseluruhan (%)
ma = massa air yang dipanaskan (kg)
ca= kalor jenis air (kJ/kg0C)
mpa=massa panci yang digunakan (kg)
cpa=kalor jenis panci (kJ/kg0C)
T2=temperatur air mendidih (0C)
T1=temperatur mula-mula air (0C)
ms=massa air yang menguap (kg)
He =panas laten penguapan air (2440 kJ/kg)
mf=panas laten penguapan air (2440 kJ/kg)
Ef=Nilai kalori bahan bakar (kJ/kg)
2.6 Kalor
Kalor merupakan suatu bentuk energi yang berpindah dari
temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Tinggi rendahnya
kalor yang terkandung dalam suatu lingkungan tergantung pada besar
kecilnya temperatur. Jika temperatur tinggi maka dapat dipastikan
kalor yang terkandung juga tinggi dan begitu juga sebaliknya.
Suatu benda dapat memindahkan kalor pada benda yang lain sehingga
besar kalornya akan sama dengan kalor pada benda yang
memindahkan, hal tersebut sesuai dengan asaz Black yaitu kalor
dilepasakan sama dengan kalor yang diterima (Sugiasih, 2007).
11
Gambar 2. 2 Perpindahan kalor
2.6.1 Konduksi
Adanya perbedaan temperatur pada suatu benda, yang
megakibatkan perpindahan energi dari suhu tinggi ke suhu rendah
disebut konduksi. Laju Perpindahan kalor konduksi :
q= -kAππ
ππ₯ (2.6)
q = laju perpindahan kalor, watt
ππ/ ππ₯ = gradient suhu pada aliran kalor
k = konduktivitas termal bahan, watt/m. 0C
(Yunus,2009)
2.6.2 Konveksi
Konveksi terjadi pada saat adanya perpindahan panas pada
cairan dan gas.Perpindahan ini terjadi pada bagian panas dan dingin
dari suatu cairan yang terjadi bersamaan dengan konduksi. Misalnya
pada pendidihan air, air panas dari bawah akan naik ke atas ke bagian
yang dingin (De Witt, 1981). Rumus umum konveksi adalah:
12
q = h x A x βT (2.7)
dimana q adalah panas yang dipindahkan dari gas panas ke permukaan
panci atau dinding, A adalah luas permukaan dimana aliran panas
terjadi, h adalah koefisien perpindahan kalor konveksi, dan βT adalah
perbedaan temperatur antara gas panas dengan permukaan padat.
2.6.3 Radiasi
Radiasi merupakan perpindahan panas yang terjadi karena
pancaran/sinaran/radiasi gelombang elektro- magnetik, tanpa
memerlukan media perantara (Hoolman,1986). Laju perpindahan kalor
radiasi dirumuskan dengan persaman hukum Stefan Boltzman untuk
benda hitam:
q = Ο x A x T4 (2.8)
dimana Οadalah konstanta Stefan Boltzman bernilai 5,669 . 10-8 W/m2
K4, A adalah emisi benda, dan T adalah temperatur (dalam K).
Modifikasi rumus (2.7) dengan mempertimbangkan emisivistas bahan
Em (bernilai 0 hingga 1), adalah:
q = Em x Ο x A T4 (2.9)
dari persamaan diatas, dapat disimpulkan bahwa temperatur sangat
berpengaruh terhadap emisi benda.
13
2.7 Bahan Bakar Kayu Kopi
Gambar 2. 3 Batang kayu kopi
Tanaman kopi (Coffeasp.) termasuk familia Rubiaceae dan
merupakan tanaman tropis yang banyak diperdagangkan di dunia.
Diperdagangan dunia dikenal dua macam kopi, yaitu kopi Arabica dan
Robusta. Di Indonesia kopi Robusta paling banyakya itu mencapai 87,1
% dari total produksi kopi Indonesia. Sebagian besar hasil produksi
kopi masuk dalam perdagangan ekspor,dengan negara tujuan Amerika
Serikat, Jerman, dan Singapura (Aak, 2002).
Komposisi kandungan kimia kayu kopi:
Selulosa : 40,39 %
Hemiselulosa : 34,01 %
Lignin : 10,13 %
Abu : 1,27 %
Analisa elemen kayu kopi :
Karbon : 48,35 %
Hidrgogen : 5.93 %
Oksigen : 44,21 %
Kadar air kayu kopi : 8,7%
(Carlos,2017)
Dari kandungan kimia di atas mengindikasikan bahwa kayu
kopi cukup layak untuk dijadikan bahan bakar karena memiliki
kandungan kimia yang dapat memenuhi kebutuhkan pada saat proses
devolitasi bahan bakar, terutama adanya kandungan selulosa yang
14
tinggi. Kadar selulosa mengandung energy kimia yang apabila dibakar
akan menghasilkan energi panas.
Analisa elemen kayu kopi menurut literatur yang mengkaji
tentang karakteristik dari beberapa jenis kayu maupun tanaman dan
biji, kayu kopi termasuk memiliki elemen yang berpotensi bagus untuk
kebutuhan sumber kebutuhan energi terbarukan. Kayu kopi memiliki
kandungan elemen karbon yang sesuai dengan variasi rentang nilai
yang diharapkan untuk karateristik biomassa. Residu yang dimiliki
kayu kopi menunjukan level yang tinggi pada kandungan volatil yaitu
sebesar 80,39 % , dan level yang rendah pada fixed carbon yaitu
sebesar 19,33% (Paula dkk,2011).
2.8 Tabung Secondary Preheating
Tabung secondary preheating terbuat dari besi berbentuk lingkaran
dengan diameter 20 cm dan tinggi 17 cm. Tabung secondary
preheating berfungsi sebagai pemanas udara yang masuk melalui
bukaan sekunder yang disebut secondary air.
Gambar 2. 4 Tabung secondary preheating
15
Terjadinya heat transfer atau difusi panas pada saat pembakaran
akan menyebabkan heat loss sehingga dibutuhkan kontrol panas dalam
tabung pembakar agar temperatur termal dalam tabung tidak akan cepat
kehilangan panas, yaitu dengan menggunakan tabung secondary
preheating.
2.9 Uji Efisiensi Termal menggunakan metode WBT
Metode WBT menghasilkan rasio perbandingan kalor yang dihasilkan
oleh bahan bakar yang diterima oleh air untuk menaikan suhu dan
mengubahnya menjadi uap ( Rizqiardihatno, 2008). Metode WBT
sangat sederhana dan mudah diaplikasikan. Secara umum WBT
dilakukan dengan tiga tahap yaitu:
1. Tahap pertama disebut uji high power (cold start), dimana
penguji mendidihkan air dengan kompor menggunakan suhu
ruang dan sejumlah bahan bakar untuk mendidihkan sejumlah
air dalam sebuah panci standar. Pada pengujian berikutnya
menggunakan panci yang baru
2. Tahap kedua disebut uji high power (hot start), dimana penguji
menguji pendidiihan air dengan menggunakan kompor
bertujan untuk mengidentifikasi perbedaan kinerja kompor
panda kondisi dingin dan panas.
3. Tahap ketiga ialah uji low power (simmering) dimana penguji
menguji kemampuan kompor untuk memanaskan air dengan
menggunakan bahan bakar seminimal mungkin.