Jurnal Photon Vol.
4 No.
Mei 2014
RANCANG BANGUN TUNGKU GASIFIKASI BIOMASA HEMAT ENERGI DAN
RAMAH LINGKUNGAN PENGHASIL LISTRIK
Abrar Ridwan.
Budi Istana.
Fakultas Teknik UMRI Email: ridwanabrar@yahoo.
ABSTRAK
Provinsi Riau merupakan daerah yang kaya akan sumber daya biomasa salah satunya adalah kabupaten Bengkalis, dimana hampir 80% penduduknya masih menggunakan tungku berbahan bakar kayu untuk memasak, sementara untuk mendapatakan bahan bakar fosil dan gas elpiji sangat sulit.
Telah dilakukan penelitian dan uji eksperimental perancangan dan pembuatan tungku gasifikasi biomasa penghasil listrik dengan memanfaatkan panas buang sekelilingnya.
Diameter dalam tungku 14,8 cm dan diameter luar luar 21,4 cm dengan diameter ruang annulus 66 cm, tinggi tungku 50 cm.
Alat ukur temperatur menggunakan termokopel tipe K dan dengan data akuisisi Advantech DAQ 4718.
Tungku dapat menghasilkan listrik dengan pemanfaatan panas buang pada temperatur sisi panas T = 100 0 C dengan temperatur sisi dingin 32 0 C dimana tegangan termoelektrik A1,2 V dan arus A60 mA.
Tungku dapat membakar ulang hasil pembakaran melalui lobang di sekeliling tabung dalam sehingga terjadi gasifikasi.
Efisiensi termal tungku adalah 10,7 % yaitu dapat mendidihkan 1 kg air pada menit ke-10 dengan berat bahan bakar kayu 1 kg.
Kata Kunci: Tangki.
Biomassa.
Thermoelektrik.
Gasifikasi.
Efisiensi Thermal
PENDAHULUAN
Provinsi Riau merupakan daerah yang kaya akan sumber daya biomasa salah satunya adalah kabupaten Bengkalis yang mempunyai lahan sawit dan hutan yang Limbah sawit yang menjadi limbah industri prospektif untuk menjadi bahan bakar tungku biomasa dengan nilai kalori 23012 kj/kg.
Begitu juga dengan luas areal hutan 518 474 Ha berpotensi untuk bahan bakar biomasa kayu .
Disamping itu banyak masyarakat yang berada di daerah terisolir masih sulit untuk mendapatkan bahan bakar fosil dan gas LPG sehingga harus memasak dengan bahan bakar biomasa, asap yang dihasilkan dari pembakaran dapat berdampak terhadap kesehatan dan emisi gas metana yang lebih berbahaya 21 kali lipat dibandingkan CO2.
Kabupaten Bengkalis adalah daerah yang terkenal dengan produksi makanannya FMIPA-UMRI sehingga membutuhkan bahan bakar dan tungku yang hemat energi.
Pada umumnya warga menggunakan kayu bakar untuk keperluan memasak.
Karena kebutuhan kayu bakar yang besar, maka warga mencari kayu bakar dengan menebang pohon di sekitar mereka, atau mencari kayu ke hutan.
Hal ini pemerintah yang ingin melestarikan Karenanya, penting dicarikan solusi agar masyarakat tetap dapat memenuhi kebutahan energi mereka, tetapi tidak dengan cara menebang pohon di hutan.
Hal ini mungkin, bila kebutuhan akan bahan bakar mereka dapat ditekan, sehingga masyarakat dapat memenuhi dari rantingranting atau dahan di kebun mereka sendiri.
Penggunaan bahan bakar biomasa pada dapur tradisional menimbulkan asap yang sangat banyak.
Asap tersebut, bila terhirup Vol.
4 No.
Mei2014 menimbulkan gangguan fungsi pernafasan.
Publikasi PBB menunjukkan bahwa tiap tahun lebih dari 1 juta orang di dunia yang meninggal karena infeksi akut pernafasan yang disebabkan karena menghirup udara berasap di dapur.
Sementara dari data Jurnal Photon Kabupaten Bengkalis penyumbang CO2 terbesar kedua setelah Rokan Hilir dengan titik api sebanyak 264 titik api .
Dengan demikian penting sekali mendesain satu jenis tungku biomasa yang efisien dan ramah lingkungan.
Gambar 1: Tipikal dapur tradisional yang ada di pedesaan di Indonesia.
Proses masak dengan bahan bakar kayu sangat efektif pada rumah makan yang ada di Kabupaten Bengkalis selain murah cita rasa masakan jauh lebih nikmat.
Tungku biomasa tradisional yang akan diterapkan merupakan tungku berbahan bakar biomasa Biomasa terbakar oleh proses pirolisis dan gasifikasi yang menghasilkan asap.
Secara kimia, asap pembakaran tersusun atas gas-gas diantaranya adalah H2.
CO.
CH4.
CO2.
SOx.
NOx dan uap air.
Sebagian gasgas tersebut, yaitu hydrogen (H.
Reaktan Bahan bakar pengoksidasi karbonmonoksida (CO), dan metana (CH.
adalah gas-gas yang dapat terbakar, sehingga dapat dimanfaatkan menjadi bahan Dengan meningkatkan efisiensi penggunaan biomasa sebagai bahan bakar, maka asap yang dihasilkan pada proses pengarangan harus dibakar lagi untuk kedua kali dan menghasilkan api yang mempunyai nyala yang lebih bersih.
Reaksi-reaksi pembakaran dapat dinyatakan melalui persamaan kimia:
Produk Produk (Bryden.
Still.
Scott.
Hoffa.
Ogle.
Bailis.
, and Goyer.
, 2005 )
Rasio udara Ae bahan bakar merupakan dua parameter yang sering dipakai untuk memberikan kuantifikasi jumlah bahan bakar dan udara di dalam sebuah proses Rasio udara Ae bahan bakar singkatnya adalah rasio jumlah udara di dalam sebuah reaksi terhadap jumlah bahan Rasio ini dapat dituliskan dengan FMIPA-UMRI Jurnal Photon basis molar ( mol udara dibagi dengan mol bahan bakar ) atau dengan basis massa .
assa udara dibagi dengan massa bahan Konversi di antara kedua nilai ini dilakukan dengan menggunakan berat molekuler dari udara.
Mudara dan bahan bakar.
Mbahan bakar (Baldwin F.
, 2.
Dimana adalah rasio udara-bahan bakar dengan basis molar dan AF adalah rasio dengan basis massa.
Rasio udara terhadap bahan bakar sangat dibutuhkan bertujuan untuk menentukan berapa luas atau lobang aliran udara yang masuk ke ruang pembakaran .
dara prime.
dan untuk membakar gas volatil .
dara sekunde.
Untuk menghitung laju perpindahan panas pada tungku dapat menggunakan persamaan chael J.
Moran dan Howard N.
Shapiro 2004, .
Selain itu untuk membantu proses pembakaran awal diperlukan udara konveksi paksa dengan kipas, dimana konsumsi listriknya berasal dari panas buang tungku yang lebih kita kenal efek Seebeck.
Alat
FMIPA-UMRI
Vol.
4 No.
Mei 2014 untuk mengkonversi energi panas menjadi listrik adalah termoelektrik yaitu proses konversi langsung yang disebabkan oleh perbedaan temperatur menjadi tegangan listrik atau sebaliknya.
Prinsip kerja dari termoelektrik adalah berdasarkan efek Seebeck yaitu jika 2 buah logam yang ujunganya, kemudian diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada ujung yang satu dengan ujung yang lain.
Gambar 1.
Gambar Elemen Peltier Agar performansi tungku perlu dihitung nilai efisiensi termal tungku.
Dimana:
Massa bahan bakar terpakai untuk pengujian mf .
Nilai kalor bahan bakar C .
kal/k.
Massa air awal mw .
Massa air terevaporasi mv .
Temperatur awal air T1 .
C) Temperatur air mendidih T2 .
C).
Waktu awal penyalaan .
Waktu awal air mendidih .
Waktu akhir pembakaran .
Berat bahan bakar .
sisa m2 .
(K.
Krishna Prasad, 1.
Vol.
4 No.
Mei2014
Jurnal Photon
METODOLOGI PENELITIAN
Alat penelitian adalah Advantech DAQ 4718 sebagai konverter akuisisi data temperatur dengan sensor termokopel tipe K yang total panjangnya 20 m.
Sebagai penampilan data digunakan laptop tipe Asus.
Timbangan dengan digit dua angka dibelakang koma untuk mengukur masing-masing kayu bakar yang akan digunakan.
Bomb kalorimeter digunakan untuk mengukur nilai kalori bahan bakar, sedangkan mengukur laju aliran udara ke dalam ruang pembakaran digunakan hot wire Ae anemometer.
Berikut adalah flow chart penelitian yang dilakukan HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perancangan yang telah dilakukan didapat beberapa tabel yang akan menjadi acuan untuk membuat tungku yang hemat energi dan ramah lingkungan.
Konstanta dan nilai entalpi bahan bakar diuji dengan bomb Laju aliran massa tungku dapat dihitung dengan berat bahan bakar terhadap lama waktu pembakaran, sehingga di dapat hasil tabel dibawah ini Tabel 1.
Keterangan nilai kalori, massa, dan waktu pembakaran Deskripsi Nilai Kalori Kayu Cemara (Kj/K.
Berat Kayu Bakar (K.
Waktu Pembakaran .
Daya Tungku .
Laju Aliran Massa Tungku .
/se.
Laju Aliran Massa Arang.
/se.
Laju Aliran Massa gas Volatil .
/se.
Nilai Perhitungan 11,24 0,22 0,89 Keterangan Dengan moisture content 15 % Diambil wktu terlama pd tungku tradisional masyarakat Tabel 2.
Tabel perhitungan laju perpindahan panas tungku pembakaran Deskripsi r1 .
Temperatur dalam tungku .
C) Temperatur luar tungku .
C) Ketebalan isolator .
Konduktivitas termal batu api (W/m 0C) Konveksi udara dalam tungku (W/m2 0C) Konveksi udara annulus tungku (W/m2 0C) Konveksi udara luar tungku (W/m2 0C) Tinggi tungku .
Laju perpindahan kalor .
Berdasarkan data dan analisis pembakaran dan perpindahan panas maka didapat bentuk Nilai Perhitungan 0,074 0,075 0,107 0,149 0,150 0,04 1,37 5,831 Keterangan tungku seperti gambar dibawah ini:
FMIPA-UMRI
Jurnal Photon Vol.
4 No.
Mei 2014 masuk ke ruang pembakaran langsung.
Asap dapat bersirkulasi dari bawah keatas atau keluar dari lobang sekelilingnya.
Pada tabung bagian dalam terdapat tekanan dan temperatur yang tinggi dimana temperatur bisa mencapai 800 0C, sehingga asap hasil pembakaran akan bergerak diruang annulus tungku yang diakibatkan oleh dorongan thermoelectric fan.
Dari hasil pembakaran tungku dengan berat bahan bakar 1 kg dengan 1 liter air pada temperatur 100 0C dapat dicapai pada menit ke 6, hal ini lebih cepat dibandingkan dengan bahan bakar briket yang dicapai pada menit ke 15.
berikut adalah gambar tungku.
Gambar 3: Potongan tungku tampak Pada perancangan tungku gasifikasi diperlukan modifikasi pembuatan tabung bagian dalam dengan lobang bagian atas dan bawah pada tabung tersebut yang bertujuan untuk mensuplai udara sekunder dan berbaur langsung dengan asap sehingga Gambar 4: a.
Profil tungku tampak atas dengan penutup ruang annulus, b.
Profil tungku dari atas tanpa tutup ruang annulus Tampak penutup antara tabung dalam dengan tabung luarnya.
Dengan harapan udara dan asap tidak keluar dari sisi samping melainkan masuk kembali ke ruang bakar agar terjadi pembakaran ulang.
Lobang gasifikasi Gambar 5.
Tungku hemat energi dan tabung udara primer dan sekunder Gambar 6: Profil lobang gasifikasi pada pembakaran FMIPA-UMRI Vol.
4 No.
Mei2014 Jurnal Photon Gambar diatas adalah proses gasifikasi lobang-lobang, pembakaran lobang tersebut api berwarna biru yang artinya lidah api yang menyentuh lobang mendapatkan suplai bahan bakar tambahan dari asap yang berasal dari sisa pembakaran tidak sempurna dan bersirkulasi di ruang annulus tungku serta keluar yang disebabkan oleh jemputan lidah api dari pembakaran kayu.
Lobang Gambar 7: Profil lobang gasifikasi pada pembakaran dengan warna api biru Gambar 8: Profil pembakaran tanpa tutup ruang annulus Dengan proses gasifikasi api hasil pembakaran akan menjadi biru sehingga dibandingkan api yang berwarna kuning, proses gasifikasi akan tampak lebih jelas setelah bahan bakar biomasa sebagian menjadi arang dan berada pada temperatur pyrolisis yaitu 400 0C - 600 0C.
Hal ini berbeda jika pembakaran tanpa gasifikasi seperti terlihat pada gambar dibawah ini:
Fenomena pembakaran diatas tidak seperti gambar sebelumnya, hal ini disebabkan sebagian besar asap dari hasil pembakaran langsung beterbangan keluar keatas sementara gambar pembakaran sebelumnya diantara tabung bagian dalam dengan dinding dalam tungku ditutup sehingga asap sisa pembakaran terjebak di ruang annulus sehingga terpaksa keluar lobang-lobang merupakan gas combustable ( gas yang mudah terbakar ).
Gas yang panas akan naik keatas dikarenakan densitasnya lebih rendah dibandingkann dengan udara lingkungan sehinggan mengakibatkan proses aliran Dengan termoelektrik sebagai suplai oksigen maka komposisi gas tersebut dibakar sehingga FMIPA-UMRI Jurnal Photon Vol.
4 No.
Mei 2014 akan menambah nilai panas pada Pada tungku gasifikasi ini bersifat difusi karena tidak adanya konveksi paksa dari kipas, sedangkan fungsi kipas hanya dijalankan pada awal pembakaran.
Suhu elemen dingin Suhu dinding panas Suhu air Suhu api Gambar 9: Profil tampilan advantech sebelum dilakukan penelitian Tampak pada gambar diatas temperatur air 28 0C dan temperatur udara lingkungan 31 0C, sedangkan chanel 6 temperatur titik api pembakaran, chanel 0 temperatur elemen dingin, dan chanel 1 temperatur elemen panas semuanya adalah data awal temperatur sebelum dilakukan pengujian.
Gambar 10: Profil tampilan temperatur di LABVIEW Dari alat ukur diatas pada Chanel 4 adalah termokopel mengukur titik didih air, terliha air mendidih pada menit ke-10 sedangkan temperatur titik tengah api 175 Pada penelitian didapat efisiensi termal sebagaimana terlihat pada tabel.
Tabel 3.
Tabel Efisiensi Termal Parameter Massa bahan bakar terpakai pengujian m1 .
Nilai kalor bahan bakar C .
kal/k.
Massa air awal mw .
Berat air sisa mv .
Temperatur awal air T1 .
C) Temperatur air mendidih T2 .
C) Waktu awal penyalaan .
Waktu awal air mendidih .
Waktu akhir pembakaran .
Berat bahan bakar .
sisa m2 .
Efisiensi thermal
Pada proses perancangan alat konversi
panas menjadi listrik menggunakan elemen
FMIPA-UMRI
Tungku Modifikasi
0,083
0,20
10,6 %
dispenser karena TEG harus diimpor, jenis TEC yang digunakan adalah tipe 12706 Vol.
4 No.
Mei2014 Jurnal Photon disamping elemen ini mudah didapat dan juga harganya murah, akan tetapi elemen rusak bila sisi panasnya mencapai diatas 200 C, oleh sebab itu perlu dirancang tempat yang tidak melebihi temperatur tersebut, yaitu dinding tungku.
Untuk memastikan akan adanya aliran listrik yang disebabkan perbedaan temperatur maka perlu dipasang kipas kecil.
Kipas berputar setelah temperatur dinding tungku mencapai temperatur 100 0C dengan sisi dingin 32 0C dimana kondisi tersebut tegangan A1,23 V dan arus A60 mA.
Kondisi tersebut tercapai pada menit ke-30.
Setelah menit tersebut terjadi peningkatan temperatur sampai temperatur maksimum dinding yaitu 160 0C.
Pada pengujian berikutnya suhu sisi panas 83 0C dan sisi dingin 38 0C yang mempunyai selisih 45 0C didapat hasil tegangan 0,5 V dan arus 0,44 mA data tersebut adalah nilai minimum untuk menggerakkan dinamo kipas dengan susunan rangkaian 4 buah elemen peltier secara paralel pada menit ke Gambar 11: Profil tampilan 4 buah chanel di LABVIEW Pada menit ke Ae 61 Temperatur sisi dingin 34,97 0C sedangkan sisi panas 90, 12 C, dengan nilai tegangan dan arus adalah V = 1,03 V dan arus I = 45 mA pada kondisi ini kipas berputar.
Untuk meletakkan elemen peltier perlu didisain kedudukan yang berada diluar tungku agar elemen peltier tidak rusak akibat temperatur panas yang terlalu tinggi di dalam tungku.
Bahan dudukan terbuat dari bahan zinc dengan konduktivitas terma 247 W/m2 0C.
Dudukan dikarenakan pada temperatur 140 0C dudukan yang dipatri akan lepas.
Sekrup yang dibuat pada dudukan termoelektrik harus diletakkan 2 buah disisi kiri, 2 buah disisi kanan dan 4 buah pada bagian tengah hal tersebut untuk menjaga kesempurnaan ke-empat tempelan termoelektrik Gambar 12: Susunan seri elemen peltier Pasta termal dioleskan pada keseluruhan permukaan peltier dengan tujuan membantu kesempurnaan pelepasan kalor.
Pengolesan FMIPA-UMRI Jurnal Photon Vol.
4 No.
Mei 2014 ini dilakukan diseluruh permukaan sisi panas dan sisi dingin peltier.
Hal ini perlu sepenuhnya rata.
Bila terdapat rongga antara permukaan yang bersentuhan seperti permukaan sisi panas atau dingin dengan alumunium maka panas yang diberikan akan terhambat dikarenakan adanya proses konveksi dirongga tersebut yaitu adanya medium udara.
Dengan adanya pasta termal dapat meningkatkan konduktivitas termal Akan tetapi penggunaan berlebihan pasta termal tersebut dapat mencegah kontak antarmuka dan terjadi Umumnya pasta termal terbuat dari silicon dengan tambahan ZnO yang menghasilkan performa yang baik.
Untuk performa yang maksimum dapat digunakan pasta termal dengan tambahan AIN dan BN yang akan mengurangi hambatan thermal.
ipe pasta IDL 280 konduktivitas termal > 1,22 W/m 0 K, resistansi termal < 0,201 0C ].
Gambar 13: rongga dua plat ketika dilihat secara mikroskopik Pada perancangan ini peneliti telah Rancangan pertama untuk mendapatkan sisi panas termoelektrik hanya mengandalkan panas konveksi dari bawah tungku, hal ini sangat tidak efisien dikarenakan selama proses pembakaran temperatur maksimum yang dicapai hanya 35 0C.
Tidak terjadinya pergerakan udara dari kipas yang disuplai ke ruang pembakaran.
Rancangan kedua Perlu menempel dibawah pemanggang agar transfer panas ke sisi elemen peltier lebih cepat dan bagus dibandingkan hanya memanfaatkan perpindahan panas konveksi, yang hanya berkisar di temperatur 32 0 C.
Terjadi kenaikan temperatur, tetapi tidak mencapai temperatur yang diinginkan untuk dapat mensuplai tegangan yang membuat kipas berputar.
Perancangan yang ketiga yaitu dengan menempelkan ke-empat elemen peltier disisi samping tungku dimana temperatur pada sisi tersebut dapat mencapai temperatur maksimum 160 0C pada menit ke-60 untuk bahan bakar kayu seberat 1 kg.
Untuk tetap menjaga temperatur sisi dingin elemen maka perlu disirkulasikan air yang bertemperatur 29 0C.
Hal ini sangat efektif untuk menjaga temperatur tidak naik.
Tabel 4.
Data laju perpindahan panas pada sisi dingin Deskripsi Diameter hidrolik .
Bilangan Reynold
FMIPA-UMRI
Nilai Perhitungan 0,075 4,34 Keterangan Bilangan tak-berdimensi Vol.
4 No.
Mei2014 Deskripsi Bilangan Nusselt Temperatur keluar air .
C) Koefisien konveksi (W/m2 0C) Laju Perp.
Panas sisi dingin Jurnal Photon Nilai Perhitungan 4,001 31,609 32,775 Artinya rugi kalor yang terjadi disisi elemen pendingin 6,181 W.
Sistem .
merupakan sistem pembakaran dimana api muncul dari bintik-bintik kecil sepanjang tabung bakar, seperti tungku minyak tanah.
Ini berbeda dengan sistem pembakaran mengarah .
, dimana api terkonsentrasi pada satu arah dari satu posisi Sistem pembakaran diffused sangat bagus untuk tungku dengan aliran udara alami, sedangkan sistem non-diffused bagus bila ada aliran udara terpaksa, misalkan yang menggunakan blower.
Air flow regulation merupakan sistem yang mengatur laju aliran udara, baik untuk gasifikasi .
rimary ai.
maupun untuk pembakaran asap .
econdary ai.
, agar api yang dihasilkan bagus.
Pada tungku biomasa dengan bahan bakar cangkang, hal ini ditunjukkan dengan dua panel pengatur aliran udara di bagian bawah dan bagian atas KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Pada penelitian ini telah dilakukan perancangan, pembuatan dan pengujian terhadap tungku biomasa gasifikasi dengan termoelektrik sebagai pembangkit listrik.
Pada tungku terdapat tabung bagian dalam dengan diameter 15 cm dan tinggi tungku 25
Tungku dapat menghasilkan listrik
dengan pemanfaatan panas buang pada temperatur sisi panas T = 100 0 C dengan temperatur sisi dingin 32 0 C dimana tegangan termoelektrik A1,2 V dan arus A60
Tungku dapat membakar ulang hasil
pembakaran melalui lobang-lobang di sekeliling tabung dalam sehingga terjadi Keterangan Bilangan tak-berdimensi
6,181
Efisiensi termal tungku adalah 10,7 % yaitu dapat mendidihkan 1 kg air pada menit ke-10 dengan berat bahan bakar kayu 1 kg.
Saran Pada diperlukan optimasi disain disamping computational fluid dynamic fluent perlu juga melakukan pengujian beberapa kali dengan jumlah udara primer dan sekunder yang berbeda.
Perlu mengatur dan mengarahkan aliran udara hasil pembakaran yang tentunya re-design bentuk tabung dari bawah dan bersirkulasi disekeliling tabung Penambahan jumlah elemen peltier dapat membangkitkan daya yang lebih besar lagi.
DAFTAR PUSTAKA