1. BIOMASSA
Biomassa telah menjadi sumber energi penting sejak orang pertama mulai membakar kayu untuk memasak makanan dan menghangatkan diri melawan dingin. Kayu masih merupakan sumber yang paling umum dari energi biomassa, tetapi sumber-sumber lain dari energi biomassa meliputi tanaman pangan, rumput dan tanaman lain, limbah pertanian dan kehutanan dan residu, komponen organik dari limbah kota dan industri saat ini sangat berlimpah jumlahnya.
Biomassa dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dan aneka bahan bakar (cair, padat dan gas) atau energi kalor yang dapat digunakan untuk kegiatan produktif. Sumber-sumber biomassa antara lain:
a. Tanaman khusus energi
Berupa tanaman hijau yang dapat dipanen setiap tahun setelah menunggu 2-3 tahun untuk mencapai produktivitas penuh, antara lain; tanaman seperti semak, rumput gajah, bambu, tebu, fescue, kochia, tanaman gandum, dan lainnya.
b. Pohon khusus energi
Berupa kayu siklus pendek merupakan pohon berkayu keras yang cepat tumbuh (fast growing) dan dipanen dalam 5-8 tahun setelah penanaman. Umumnya berupa pohon hibrida.
c. Tanaman industri
Tanaman industri dikembangkan untuk menghasilkan material atau bahan kimia khusus untuk industri, antara lain kenaf dan jerami untuk serat optik, dan pohon jarak kastor untuk asam ricinoleic. Tanaman transgenik baru sedang dikembangkan untuk menghasilkan bahan kimia yang diinginkan yang hanya membutuhkan ekstraksi dan pemurnian produk.
d. Tanaman pertanian
Yang termasuk dalam cadangan makanan ini antara lain produk bahan pokok seperti tepung jagung dan minyak jagung, minyak dan bahan makanan dari kacang kedelai, tepung terigu, minyak sayur lain, dan semua tanaman bahan pokok lainnya. Umumnya bahan-bahan tesebut menghasilkan gula, minyak dan bahan-bahan baku, namun dapat juga menghasilkan plastik dan bahan-bahan kimia.
e. Tanaman air.
Ada banyak variasi sumber daya biomassa air seperti ganggang, rumput laut, dan mikroflora laut.
f. Sisa-sisa tanaman pertanian.
Yang termasuk di sini adalah biomassa, batang dan daun, yang tidak dipanen atau dibuang dari ladang karena alasan komersil, misalnya sisa jagung (batang, daun, kulit buah dan tongkol jagung), jerami gandum, dan jerami padi.
g. Sisa-sisa hasil hutan.
Sisa-sisa hasil hutan adalah biomassa yang tidak dimanfaatkan atau dibuang dari lokasi pengolahan kayu baik dari pengolahan komersil maupun dari operasi manajemen kehutanan seperti tebang pilih dan pembuangan tunggul-tunggul kayu.
h. Sampah perkotaan.
Sampah-sampah rumah tangga, pasar dan sebagainya memiliki kandungan yang berasal dari material organik yang merupakan sumber daya energi terbarukan. Sampah kertas, kardus, sampah kayu dan sampah di halaman rumah adalah contoh sumber daya biomassa dalam sampah perkotaan.
i. Sisa pengolahan biomassa.
Semua pengolahan biomassa menghasilkan produk sampingan dan aliran sampah yang disebut limbah, yang memiliki potensi energi. Sisa-sisa tersebut gampang digunakan karena telah dipilih, sebagai contoh pemrosesan kayu untuk produk atau pulp menghasilkan sisa gergajian dan tumpukan kulit kayu, ranting-ranting dan daun-daun serta biji-bijian.
j. Kotoran hewan.
Ladang dan operasi pemrosesan hewan, membuang sampah yang merupakan sumber kompleks material organik. Sampah ini dapat digunakan untuk membuat berbagai produk termasuk energi.
Sebagai sumber energi, biomassa memiliki beberapa keuntungan, terutama dari sifat terbarukannya, dalam arti bahan tersebut dapat diproduksi ulang dalam waktu relatif singkat. Selain itu, dari segi lingkungan, penggunaan biomassa sebagai sumber energi memiliki beberapa segi positif yaitu;
1. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten dan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik.
2. Mampu memproses beragam input bahan bakar termasuk batu bara, minyak berat, biomassa, berbagai macam sampah kota dan lain sebagainya.
3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai lebih tinggi.
4. Mampu mengurangi jumlah sampah padat.
5. Gas yang dihasilkan tidak mengandung furan dan dioxin yang berbahaya
6. Bersifat mendaur ulang CO2, sehingga emisi CO2 ke atmosfir secara netto berjumlah nol
7. Sebagai sarana mengatasi masalah limbah di lingkungan, baik itu limbah Organik, seperti; kertas ataupun limbah non organic, seperti; Serpihan Plastik.
2. STRATEGI PEMANFAATAN BIOMASSA
Terdapat 2 cara lazim untuk melakukan konversi energi biomassa menjadi energi dan produk lain, yaitu;
1. Konversi Thermo-kimia, terdiri dari;
Pembakaran,
Liquifaksi
pirolisis.
gasifikasi,
2. Konversi biologis;
anaerobic digestion
Teknologi dan aplikasi proses konversi secara Thermo-kimia dapat ditunjukkan seperti pada gambara di bawah ini;
Gambar 1 Teknologi dan Aplikasi Proses Konversi secara Thermo-Kimia
Teknologi yang ingin dikembarkan di sini adalah teknologi yang memadukan proses pencairan biomassa menjadi bio-oil/minyak dengan pembangkit tenaga listrik berbahan bakar gas. Dua teknologi dijadikan satu sistem yang dapat menghasilkan berbagai produk seperti minyak (= Bio-oil = asap cair), gas sintetik, kokas (briket arang), kalor (panas) dan listrik.
Teknologi pemanfaatan biomassa yang dipilih adalah Konversi Thermo-kimia secara gasifikasi (pirolisa-reduksi-oksidasi).
Melalui proses gasifikasi, hampir semua bahan organik padat dapat berubah menjadi gas bakar yang bersih dan netral. Gas yang dihasilkan dapat dikondensasikan menjadi bio-oil dan atau gas tersebut dapat pula digunakan untuk pembangkit listrik maupun sebagai pemanas.
Untuk melangsungkan gasifikasi diperlukan suatu reaktor. Reaktor tersebut berfungsi sebagai tungku tempat berlangsungnya proses gasifikasi dan dikenal dengan nama gasifier. Ketika gasifikasi dilangsungkan, terjadi kontak antara bahan bakar dengan medium penggasifikasi di dalam gasifier. Kontak antara bahan bakar dengan medium tersebut menentukan jenis gasifier yang digunakan.
Skema dibawah ini memberikan gambaran umum teknologi peralatan yang dibutuhkan untuk melakukan pemanfaatan biomassa yaitu Konversi Thermo-kimia secara gasifikasi (pirolisa-reduksi-oksidasi) untuk menghasilkan berbagai produk seperti minyak (= Bio-oil = asap cair), gas sintetik, kokas (briket arang), kalor (panas) dan listrik.
Gambar 2 Lay Out Teknologi Konversi Thermo-Kimia Gasifikasi
3. PROSES GASIFIKASI BIOMASSA
3.1. Prinsip Proses Gasifikasi
Gasifikasi merupakan proses konversi secara termo-kimia (pirolisa-reduksi-oksidasi) yang menggunakan panas untuk merubah biomassa padat atau padatan berkarbon lainnya menjadi gas sintetik (menyerupai gas alam) yang mudah terbakar. Proses gasifikasi berlangsung dalam keadaan kekurangan/miskin oksigen. Proses gasifikasi dapat merubah hampir semua bahan organik padat menjadi gas bakar yang bersih dan netral.
Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses berlangsung). Media panas yang paling umum digunakan pada proses gasifikasi ialah udara panas dan uap. Gas yang dihasilkan dari gasifikasi dengan menggunakan media udara panas mempunyai nilai kalor yang lebih rendah (4-6 MJ/m3 (karena pengaruh N2 di udara) dibandingkan dengan gas yang dihasilkan dari gasifikasi dengan menggunakan media uap (10-20 MJ/m3).
Produk yang dihasilkan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian utama, yaitu padatan, cairan (termasuk gas yang dapat dikondensasikan) dan gas permanen.
Gasifikasi biomassa boleh dipahami sebagai reaksi oksidasi parsial biomassa menghasilkan campuran gas yang masih dapat dioksidasi lebih lanjut (bersifat bahan bakar).
Pirolisis : Biomassa + kalor ® Arang, minyak, gas
Gasifikasi : Biomassa + Miskin Oksigen ® Sintetik gas
Video Hsil Uji Coba Ibra
Gambar 3 Prinsip Proses Gasifikasi
3.2. Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi kimia dengan meggunakan pemanasan tanpa adanya oksigen. Proses ini disebut juga proses karbonasi atau proses untuk memperoleh karbon atau arang, disebut juga High Temperature Carbonization pada suhu 450 oC - 500 oC. Dalam proses pirolisis dihasilkan gas-gas, seperti CO, CO2, CH4, H2, dan hidrokarbon ringan. Jenis gas yang dihasilkan bermacam-macam tergantung dari bahan baku.
Pirolisis merupakan proses pengarangan dengan cara pembakaran tidak sempurna bahan-bahan yang mengandung karbon pada suhu tinggi. Kebanyakan proses pirolisis menggunakan reaktor bertutup yang terbuat dari baja, sehingga bahan tidak kontak langsung dengan oksigen. Umumnya proses pirolisis berlangsung pada suhu di atas 300°C dalam waktu 4-7 jam. Namun keadaan ini sangat bergantung pada bahan baku dan cara pembuatannya (Oemirbas, 2005). Pada proses pirolisis akan didapatkan residu padat berupa tar yang berkadar karbon tinggi serta minyak dan gas berkadar hidrogen tinggi yang akan digunakan untuk mengkonversi menjadi bahan bakar cair (Hidayat, 1995).
Saat ini pirolisis lebih banyak diaplikasikan untuk memproduksi bio-oil (Asap Cair) dari bahan baku biomassa. Metode yang dipakai adalah flash pyrolysis, dimana biomassa dipanaskan secara cepat tanpa oksigen pada suhu tinggi antara 450-600 oC dengan waktu tinggal gas (residence time) yang pendek yaitu kurang dari 1 detik. [Bramer,Brem, 2006].
3.3. Kimia gasifikasi
Secara netto, reaksi gasifikasi dengan oksidator udara atau oksigen dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :
C6H12O5 + O2 →CxHz + CnHmOk + CO + H2 + kalor .........(1)
Komposisi utama yang diperlukan dari gasifikasi adalah CO dan H2. Oleh karena itu, reaksi umum yang ideal menjadi;
CH1.4O0.6 + 0,2 O2 → CO + 0,7 H2 ………(2)
Namun, reaksi akan membutuhkan sumber energi eksternal dengan sejumlah kecil CH4 dan hidrokarbon yang lebih tinggi (C2+), sehingga dalam praktek menjadi;
CH1.4O0.6 + 0,4 O2 → 0,7 CO + 0,3 CO2 + 0,6 H2 + 0,1 H2O ………(3)
Rasio CO / CO2 (atau H2 / H2O) adalah ukuran kualitas produk gas.
3.4. Termodinamika gasifikasi
Oksigen digunakan dalam proses menentukan produk dan suhu reaksi. Oksigen yang dikonsumsi biasanya direpresentasikan sebagai rasio ekuivalen (ER), yang merupakan jumlah oksigen relatif terhadap oksigen teoritis yang diperlukan untuk pembakaran sempurna. Rentang ER merupakan indikasi penentuan proses.
ER sangat rendah atau nol: prosesnya adalah pirolisis (tidak adanya O2).
ER ~ 0.25: Prosesnya adalah gasifikasi.
ER> 1: Prosesnya adalah Pembakaran.
Sekitar 30 % dari biomassa dibakar untuk menyediakan energi untuk proses gasifikasi itu sendiri. Nilai kalori syngas yang dihasilkan ditentukan oleh komposisi prosentase kandungan CO,H2 dan CH4. Hal ini dapat dilihat pada grafik nilai kalori gas di bawah ini.
Gambar 4 Grafik Nilai Kalor Gas Yang Dihasilkan Dari Proses Gasifikasi
4. Potensi Pemanfaatan Energi Biomassa Via Proses Gasifikasi
Teknologi gasifikasi dapat memanfaatkan berbagai jenis bahan baku biomassa. Aplikasi gasifikasi biomassa dengan spesifikasi tertentu dapat mengkonversi 1 kg-padat bahan baku biomassa menjadi 1 kw energi listrik dan menghasilkan 2 kw kalor.
Gambar skema di bawah ini memberikan petunjuk potensi pemanfaatan biomassa via proses gasifikasi untuk menghasilkan kombinasi panas dan listrik.
Gambar 5 Skema Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa
Dalam aplikasi gasifikasi biomassa dengan desain gasifier tertentu setiap 1 kg biomassa akan menghasilkan 2.6 m3 gas. Komposisi dan nilai kalor dari gas tersebut adalah; H2 = 20 ± 2%, CO = 19 ± 1%, CH4 = 1,5 ± 0,5%, CO2 = 12 ± 1%, dan sisanya N2 dengan nilai kalor sekitar 4.75 MJ / kg.
Untuk menghasilkan 1 liter bio-oil/minyak diperlukan umpan sekitar 2 kg-padat bahan baku biomassa. Berikut adalah berbagai komoditi biomassa dari limbah pertanian dan perkebunan yang ada disekitar kita dan nilai kalor yang dapat dihasilkannya.
Tabel 1 Komoditi biomassa dari limbah pertanian dan perkebunan (THS)
4.1. Aplikasi Pembangkit Kalor/ Thermal Gasifikasi Biomassa
Untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas, gasifiers dapat menjadi pilihan yang baik sebagai generator gas dan dapat dipasang membantu kerja bagi perangkat yang sudah ada (existing).
Energi panas dari biomassa minimal 5 MJ yang dilepaskan akan membentuk 1 m3 gas. Suhu api dapat mencapai sekitar 1200 oC yang diperoleh dari pembakaran antara udara dengan gas.
Aplikasi: panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk industri baik dari skala menengah hingga industri rumah tangga karena lebih murah dan nyala lebih lama.
Berikut ini adalah beberapa perangkat yang bisa dipasangkan bersama gasifier:
a) Pengering: Pengeringan merupakan proses yang paling penting dalam industri minuman dan rempah-rempah. Proses produksi umumnya memerlukan gas panas dalam kisaran suhu 120 -130 oC. Biasanya energi panas yang diperlukan adalah setara dengan 1 kg kayu bakar. Gasifier adalah solusi ideal untuk situasi di atas. Gas panas pembakaran biomassa dalam gasifier dapat digunakan pula dalam pengering yang sudah ada.
b) Tanur: Pabrik produksi ubin dan barang-barang tembikar serta pabrik kapur memerlukan ruang/lingkungan dengan temperatur yang panas sekitar suhu 800-950 oC. Hal ini umumnya dilakukan melalui pembakaran kayu dalam jumlah besar dan itu tidak efisien. Gasifiers cocok untuk aplikasi tersebut dan memberikan pilihan yang lebih baik untuk dapat mengatur temperatur ruangan yang diinginkan. Keuntungan tambahan dari aplikasi ini adalah pembakaran tanpa asap, sehingga meningkatkan nilai produk.
c) Tungku: Dalam industri metalurgi non-ferrous dan pengecoran. Suhu tinggi (~ 650-1000 oC) diperlukan untuk melelehkan logam dan paduan. Hal ini biasanya dilakukan dengan menggunakan bahan bakar minyak atau pemanas listrik dengan harga yang mahal. Gasifier sangat cocok untuk aplikasi tersebut.
d) Boiler: industri Proses yang membutuhkan uap atau air panas, biasanya menggunakan salah biomassa atau batubara sebagai bahan bakar dalam boiler. Biomassa tidak efisien dengan polutan yang lebih tinggi seperti NOx dan hal ini menyangkut peraturan pemerintah. Oleh karena itu, gasifier sesuai untuk penggunaan energi yang efisien. Selain itu, kebutuhan energi di peternakan unggas, Cold storage (Kompresi Uap), industri karet dan sebagainya dapat dipenuhi dengan menggunakan gasifier biomassa.
4.2. Aplikasi Pembangkit Listrik Gasifikasi Biomassa
Pemanfaatan gas dari gasifikasi biomassa dapat digunakan untuk mengoperasikan gas engine berbahan bakar 100% gas. Selain itu, dapat juga digunakan untuk mengoperasikan motor diesel dengan sistem bahan bakar ganda (mode dual fuel). Substitusi bahan bakar Solar untuk Diesel dapat dilakukan menggunakan gas yang dihasilkan gasifier sekitar 75% sampai 85% dari total konsumsi bahan bakar solar pada beban nominal. Energi mekanik yang diperoleh dari motor diesel berbahan bakar ganda tersebut dapat digunakan untuk menjalankan pompa air pada irigasi atau untuk pembangkit tenaga listrik, baik untuk konsumsi lokal maupun untuk interkoneksi dengan jaringan listrik PLN.
Selain untuk bahan bakar motor bakar, gas yang dihasilkan oleh gasifier dapat juga dimanfaatkan untuk menjalankan turbin gas atau turbin uap sebagai penggerak mula untuk pembangkit listrik PLTG atau PLTU.
Lokasi yang tepat untuk mewujudkan aplikasi di atas adalah desa atau dusun yang belum mendapatkan jaringan listrik. Banyak manfaat yang diperoleh dari ini, untuk bidang irigasi untuk penyediaan air minum dan menerangi desa untuk mendukung industri desa. Aplikasi lain yang cocok bisa ditempatkan di pabrik dan perkebunan kopi, di mana kayu limbah (tentu saja dari ukuran tertentu) dapat digunakan sebagai bahan baku dalam gasifiers.
Dari pemanfaatan dan aplikasi gasifikasi biomassa ini, baik untuk aplikasi kalor/panas maupun untuk aplikasi pembangkit listrik, keduanya akan menghasilkan minyak (bio-oil) yang dominan dengan kandungan asam penol. Minyak ini dapat digunakan lebih lanjut untuk bahan bakar maupun untuk pengawetan.
5. DESAIN PERALATAN GASIFIKASI BIOMASSA REKOMENDASI
Peralatan Gasifikasi Biomassa yang ditawarkan untuk mengkonversi limbah, ampas, serta sisa-sisa produk pasca panen dapat di tunjukkan seperti gambar 2 di atas
Teknologi peralatan yang ditawarka tersebut memiliki keunggulan-keunggulan jika dibandingkan dengan desain peralatan jenis lain. Desain peralatan yang ditawarkan ini merupakan jenis Reaktor Gasifier UP DRAFT.
Tipe ini telah umum digunakan untuk bahan baku 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 di bagian bawah gasifier, di mana udara bereaksi dengan biomassa menghasilkan CO2 yang sangat panas dan H2O. Sebaliknya, CO2 dan H2O bereaksi kembali dengan kokas menghasilkan CO dan H2. Temperatur di bagian 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 di atas nya 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 terbatas digunakan hingga kapasitas 10 giga joule/jam.m2 dibatasi oleh stabilitas unggun atau fluidisasi, pengerakan atau pemanasan berlebih yang menurunkan efesiensi.
Kajian Literatur: Ibrahim
ibrahimst@live.com
087825462050
Tidak ada komentar:
Posting Komentar