3. bab ii.pdf

12
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%50%), hemiselulosa (20%30%), lignin (20%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 14, 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

Upload: khangminh22

Post on 01-Dec-2023

6 views

Category:

Documents


0 download

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%–50%), hemiselulosa (20%–30%), lignin (20%–

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 1–4, 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 :

𝐶𝑢𝐻𝑣𝑂𝑤𝑁𝑥𝑆𝑦 + (𝑢𝑣

4−

𝑤

4+ 𝑦) (𝑂2 + 3,76𝑁2)

→ 𝑢𝐶𝑂2 +𝑣

2𝐻2𝑂 + 𝑦𝑆𝑂2

+ [3,76 (𝑢𝑣

4−

𝑤

2+ 𝑦) +

𝑥

2] 𝑁2 … … . (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 → 2CO (2.2)

C+CH2O → H2+CO (2.3)

C+2H2 → 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:

ηall= 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= -kA𝜕𝑇

𝜕𝑥 (2.6)

q = laju perpindahan kalor, watt

𝜕𝑇/ 𝜕𝑥 = 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 ∆T (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 ∆T 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 = σ x A x T4 (2.8)

dimana σadalah 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 σ 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.

16

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN