pltbs chapter ii

17
BAB II TEORI DASAR PEMANFAATAN BIOMASA 2.1. Energi Terbarukan Energi merupakan persoalan yang sangat penting di dunia, peningkatan permintaan energi berbanding terbalik dengan jumlah cadangan energi. Oleh sebab itu pemerintah Indonesia memprioritaskan pengembangan terhadap energi terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang dihasilkan dari sumber energi yang alami yang berkelanjutan bila dikelola dengan baik dan tidak akan pernah habis. Contoh energi terbarukan adalah panas bumi, angin air, gelombang air laut, biomassa dan biogas. Potensi energi terbarukan dapat dilihat pada Tabel 2.1 di bawah ini. Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia Energi Potensi Kapasitas Terpasang (MW) Hidro 75,67 GW 4.200 Panas Bumi 27 GW 807 Mini/Mikro hidro 712 MW 206 Biomassa 49,81 GW 302,4 Energi matahari 4,8 kWh/m 2 /Hari 6 Angin 3-6 m/sekon 0,6 (Sumber: DGEEU, 2004) Universitas Sumatera Utara

Upload: west-ryan-sitindaon

Post on 19-Jan-2015

320 views

Category:

Education


1 download

DESCRIPTION

ok

TRANSCRIPT

Page 1: Pltbs chapter ii

BAB II

TEORI DASAR PEMANFAATAN BIOMASA

2.1. Energi Terbarukan

Energi merupakan persoalan yang sangat penting di dunia, peningkatan

permintaan energi berbanding terbalik dengan jumlah cadangan energi. Oleh sebab

itu pemerintah Indonesia memprioritaskan pengembangan terhadap energi

terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang dihasilkan dari sumber energi yang

alami yang berkelanjutan bila dikelola dengan baik dan tidak akan pernah habis.

Contoh energi terbarukan adalah panas bumi, angin air, gelombang air laut, biomassa

dan biogas. Potensi energi terbarukan dapat dilihat pada Tabel 2.1 di bawah ini.

Tabel 2.1 Potensi energi terbarukan di Indonesia

Energi Potensi Kapasitas Terpasang

(MW)

Hidro 75,67 GW 4.200

Panas Bumi 27 GW 807

Mini/Mikro hidro 712 MW 206

Biomassa 49,81 GW 302,4

Energi matahari 4,8 kWh/m2/Hari 6

Angin 3-6 m/sekon 0,6

(Sumber: DGEEU, 2004)

Universitas Sumatera Utara

Page 2: Pltbs chapter ii

2.2. Energi Biomassa

Salah satu energi terbarukan adalah biomasa. Biomasa adalah

ist ilah untuk semua bahan yang dihasilkan oleh fotosintesis yang ada di

permukaan bumi, dimana sumber dari segala energi dalam biomasa adalah

matahari. Biomasa dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk memasak

dan proses termal lainnya baik itu industri kecil maupun menengah.

2.2.1. Potensi Energi Biomasa di Indonesia

Pot ens i e ne r g i b io ma s a d i I ndo nes ia sa ng a t be sa r .

Limbahbiomassa yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi

listrik bisa berasal dari tandan kosong kelapa sawit (TKS), tongkol jagung, dan

sekam padi. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2.2. Dari potensi listrik tersebut,

kapasitas terpasang hanya 302,4 MW.

Menurut ZREU 2000 Indonesia menghasilkan 146.700.000 ton biomassa

tiap tahunnya dan penyebarannya di Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Universitas Sumatera Utara

Page 3: Pltbs chapter ii

Gamb a r 2 . 1 . Pet a se bar a n b io ma s sa d i I ndo ne s ia ( su mbe r : Z RE U

2000 , B io ma sa in I ndo ne s ia - Bu s s ine s s Gu ide) .

Tabel 2.2. Potensi limbah biomasa sebagai sumber energi di Indonesia

Universitas Sumatera Utara

Page 4: Pltbs chapter ii

(Sumber: ZREU, CG I 2000)

Be ber ap a t ekno lo g i ko nver s i ya ng d i la kuk a n u nt u k

me ngu ba h b io ma sa me n ja d i e ner g i la in ant a r a la in [ 11 ] :

1. Termokimia

2. Biokimia

3. Pembakaran langsung

Termokimia dapat dibagi menjadi dua yaitu gasifikasi dan liquefaction.

Gasifikasi dilakukan dengan cara memanaskan biomasa dengan oksigen yang

terbatas untuk memproduksi gas Low Heating Value. Liquefaction dilakukan dengan

cara mengubah gas hasil gasifikasi menjadi ethanol dan methanol.

Biokimia dapat dibagi menjadi dua yaitu anaerobic digestion dan

fermentasi. Anaerobic digestion adalah pembusukan bakteri bahan organik dalam

kondisi ketiadaan oksigen untuk menghasilkan campuran gas metana dan karbon

dioksida dalam perbandingan volume kira-kira 2:1 [11]. Fermentasi adalah

pemecahan molekul kompleks dalam senyawa organik dengan bantuan seperti ragi,

bakteri. Biji-bijian dan tanaman gula diubah oleh fermentasi menjadi etanol. Etanol

yang dihasilkan dapat dicampur dengan bensin untuk

Universitas Sumatera Utara

Page 5: Pltbs chapter ii

menghasilkan gasohol (bensin 90%, etanol 10%), yang dapat digunakan sebagai

bahan bakar mobil [11].

Pembakaran langsung yaitu dengan cara membakar biomasa untuk

memanaskan boiler untuk menghasilkan uap yang akan memutar turbin untuk

menggerakkan generator. Dalam tulisan ini biomasa yang dimaksud adalah tandan

buah segar atau kelapa sawit. Pembakaran adalah proses kimia antara suatu senyawa

atau unsur dengan oksigen. Contoh reaksi pembakaran:

Reaksi antara methana dan oksigen

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + panas

Reaksi antara karbon dan oksigen

C + O2 CO2 + panas

2C + O2 2CO + panas

2CO2 + O2 2CO2 + panas

Reaksi antara hidrogen dengan oksigen

2H + O2 2H2O + panas

2.2.2. Energi Biomasa Sawit

Pabrik kelapa sawit menghasilkan tiga jenis limbah padat yaitu serat,

cangkang dan tandan buah kosong, produk sampingan dari limbah padat lainnya

adalah abu hasil pembakaran bahan bakar. Pemanfaatan limbah biomassa pada saat

ini adalah hanya untuk memenuhi energi pengolahan minyak kelapa sawit melalui

pembakaran langsung serat dan cangkang. Sementara itu tandan buah kosong dan

abu hasil pembakaran digunakan sebagai pupuk di perkebunan untuk mengurangi

Universitas Sumatera Utara

Page 6: Pltbs chapter ii

konsumsi pupuk kimia dan mempertahankan kondisi iklim pohon kelapa sawit

didekatnya.

Sistem pembakaran biomassa lebih kompleks daripada sistem pembakaran

bahan bakar fosil dan umumnya memerlukan komponen tambahan di luar unit

pembakaran. Ini berarti bahwa komponen – komponen sistem pembakaran biomassa

harus terintegrasi dengan hati-hati untuk memastikan keberhasilan pembangkit dan

beroperasi tanpa adanya gangguan. Bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil

penggunaan bahan bakar biomassa sebagai sumber energi memiliki beberapa

tantangan yang berkaitan dengan:

a. Keandalan bahan bakar biomassa termasuk kadar air, nilai kalor,

konsistensi, dimensi, isi dan kotoran lainnya

b. Kompleksitas ruang penyimpanan bahan bakar dan distribusi

c. Kompleksitas sistem pembakaran

d. Pembentukan kerak

Cangkang dan serat memiliki kandungan nilai kalori yang cukup tinggi

seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3 sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar

PLTBS.

Universitas Sumatera Utara

Page 7: Pltbs chapter ii

Tabel 2.3. Kandungan kalori kelapa sawit

Bagian kelapa sawit Nilai kalori

Cangkang 4.105 – 4.802 kcal/kg

Serat 2.637 – 4.554 kcal/kg

Tandan buah kosong 4.492 kcal/kg

Batang 4.176 kcal/kg

POME * 4.695 – 8.569 kcal/m3

Note: 1 kcal = 4187 Joule = 1,163 Wh.

Catatan: POME = Palm Oil Mill Effluent

(Sumber Tabel : PT Palsihok utama team, An intermediate report biomass & biogas

power plant system at Blangkahan palm oil mill.)

2.3. CDM (Clean Development Mechanism)

Clean Development Mechanism adalah mekanisme yang ada pada protokol

Kyoto Clean Development Mechanism (mekanisme pembangunan bersih) adalah

solusi antara negara maju dan negara berkembang, dimana negara maju berinvestasi

di negara berkembang dalam proyek yang dapat megurangi emisi gas rumah kaca

dengan imbalan sertifikat pengurangan emisi (Certified Emission Reduction, CER)

bagi negara maju tersebut. Faktor emisi dari PLTBS Blangkahan ini adalah sebesar

0,96 tCO2/MWh, CER sebesar 23,041 tCO2/tahun, harga dari CER adalah 7

USD/tCO2.

Universitas Sumatera Utara

Page 8: Pltbs chapter ii

2.4. Siklus Rankine

2.4.1. Pengertian Siklus Rankine

Siklus Rankine (Gambar 2.2) adalah siklus ideal untuk siklus tenaga uap.

Dalam bentuk sederhana Siklus Rankine terdiri dari empat komponen: pompa,

boiler, turbin dan kondensor .

Gambar 2.2. Siklus rankine dan grafik T (suhu) vs s (entropi)

Siklus Rankine ideal tidak terdiri dari 4 tahapan proses :

• 1 – 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa.

• 2 – 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan.

• 3 – 4 Ekspansi isentropik kedalam turbin.

• 4 – 1 Pelepasan panas didalam kondenser pada P = konstan.

Universitas Sumatera Utara

Page 9: Pltbs chapter ii

Air memasuki pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi

sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi

isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air.

Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan

menjadi uap superheated pada kondisi 3. Panas yang diberikan oleh boiler ke air

pada T (suhu) tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut

sebagai steam generator.

Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk

diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang

terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P (tekanan) dan T

(suhu) dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan

masuk kondensor dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan

pada P konstan didalam kondensor dan akan meninggalkan kondensor sebagai cairan

jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.

Data dibawah kurva proses pada diagram T – s (entropi) menunjukkan

transfer panas untuk proses reversibel internal. Area dibawah kurva proses 2 – 3

menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4 – 1

menunjukkan panas yang dilepaskan di kondensor. Perbedaan dari kedua aliran ini

adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.

Universitas Sumatera Utara

Page 10: Pltbs chapter ii

2.4.2. Analisis Energi pada Siklus Rankine

Analisa energi ini dilihat dari tiap komponen yang terdapat pada siklus

Rankine. Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis sebagai

berikut :

1. Pompa (Q = 0) WP = ṁ(h2-h1) = v(P2-P1) (2.1)

2. Boiler (W = 0) Qin = ṁ (h3 – h2) (2.2)

3. Turbin (Q = 0) WT, out = ṁ (h3 – h4) (2.3)

4. Kondensor (W = 0) Qout = ṁ (h4 – h1) (2.4)

Efisiensi termal siklus Rankine dapat ditulis :

ɳ = = (2.5)

2.5. Pembangkit Listrik Tenaga Biomasa Sawit (PLTBS)

2.5.1. Teori dasar PLTBS

Pada dasarnya PLTBS adalah PLTU yang berbahan bakar biomasa sawit.

Dari skema PLTBS seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 bisa kita lihat bahwa

TKS dialirkan ke shredder, pada shredder TKS diiris (shredding) hingga diperoleh

potongan serat dengan panjang maksimum kira-kira 100 mm. TKS tersebut

kemudian dialirkan oleh conveyor ke oil presser. Pada oil presser kadar air dikurangi

untuk menghasilkan minyak dan gumpalan serat. Pada dryer kadar air tandan kosong

diturunkan kembali hingga 40%. Kemudian TKS dikumpulkan di dalam silo TKS

sebelum diumpankan ke ruang pembakaran untuk pemanasan boiler. Uap yang

dihasilkan oleh boiler akan dipakai untuk memutar turbin yang dikopelkan langsung

Universitas Sumatera Utara

Page 11: Pltbs chapter ii

dengan generator sinkron, kemudian generator akan berputar menghasilkan listrik.

Setelah melewati turbin, uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi masuk ke

kondensor. Uap yang masuk ke kondensor dikondensasikan oleh air yang berasal

dari cooling tower menjadi air yang kemudian dipompakan kembali ke dearator lalu

diumpankan ke boiler.

Gambar 2.3. Skema Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit (PLTBS)

Universitas Sumatera Utara

Page 12: Pltbs chapter ii

2.5.2. Peralatan Utama PLTBS

2.5.2.1. Boiler (Ketel uap)

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas hasil pembakaran dialirkan ke

air sampai terbentuk air panas dan uap. Air panas atau uap pada tekanan tertentu

digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai

menjadi steam, volumenya akan meningkat 1600 kali dan mudah meledak [14].

Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan

bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan

kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan

perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam

boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan

sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau

tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk

menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.

2.5.2.2. Boiler Blowdown

Proses blowdown adalah proses dimana sejumlah volume air dikeluarkan

secara otomatis diganti dengan air umpan yang bertujuan untuk mengurangi padatan

terlarut yang terdapat dalam air dan cenderung tinggal pada permukaan boiler. Jika

pada air umpan terdapat banyak padatan maka padatan tersebut akan mencapai suatu

tingkat dimana kelarutannya dalam air terlampaui dan akan mengendap. Pada tingkat

kosentrasi tertentu, padatan dapat mengakibatkan terbentuknya busa dan

Universitas Sumatera Utara

Page 13: Pltbs chapter ii

menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan tersebut juga dapat mengakibatkan

kerak pada boiler. Sehingga mebutuhkan panas yang berlebih untuk memanaskan air

pada boiler.

2.5.2.3. Superheater

Merupakan alat perubah panas yang khusus dibuat dari tabung-tabung yang

disusun pararel, menerima uap dari boiler yang dilepas dari drum untuk menaikkan

temperatur. Kebutuhan akan superheater steam untuk operasi suatu prime mover

adalah untuk menaikkan efisiensi mesin.

2.5.2.4. Air Pengisi Boiler

Air yang siap dimasukkan dalam boiler disimpan dalam water storage dan

sudah mengalami perlakuan khusus untuk mendapatkan syarat yang memenuhi

sebagai air pengisi boiler. Syarat khusus air pengisi boiler; bebas kandungan garam,

asam, kotoran, lumpur atau sifat agresif yang merusak boiler.

Tujuan pengolahan feedwater adalah untuk menghilangkan atau mengurangi

kotoran-kotoran yang yang disebabkan oleh kerak atau korosi, karena kerak hasil

endapan Ca dan Mg yang melekat pada dinding boiler maupun pada pipa boiler akan

bertambah tahan terhadap panas sehingga panas dari air air tidak semua pindah ke

air, tetapi sebagian untuk memanasi pipa atau dinding boiler.

Karakteristik air pengisi boiler yang baik adalah:

1. Tidak mengakibatkan korosi pada dinding boiler, pipa-pipa air dan

peralatannya.

Universitas Sumatera Utara

Page 14: Pltbs chapter ii

2. Tidak memberi endapan yang berbentuk kerak.

Akibat pemakaian air yang tidak murni:

1. Terjadi korosi pada boiler.

2. Timbul kerak, hal ini terjadi karena endapan kondisi bahan padat yang

terlarut jika temperatur naik.

Cara menghindari kerak:

1. External boiler water treatment, yaitu dengan menghilangkan kotoran di luar

boiler.

2. Internal boiler water treatment, yaitu dengan menambahkan bahan kimia.

Air yang terdapat di alam bebas banyak mengandung asam, garam dan

kotoran seperti pasir dan lumpur, maka untuk kebutuhan air boiler lebih baik

menggunakan air kondensasi. Air kondensasi adalah air yang berasal dari uap bekas

lalu didinginkan dengan alat kondensor. Mencegah terjadinya korosi dalam boiler

dilakukan dengan penghilangan gas oksigen.

2.5.2.5. Turbin Uap dan Alternator

Turbin uap adalah penggerak mula yang terus menerus mengubah energi

uap panas yang bertekanan bersuhu tinggi menjadi energi mekanik yang berupa

putaran pada poros turbin. Uap ini berekspansi melalui sudu-sudu turbin sehingga

poros turbin berputar dan menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Umumnya pada alternator belitan medan berada pada rotor dan belitan

jangkar berada pada stator. Energi mekanik rotasi dari turbin dikonversi menjadi

energi listrik di generator dengan perputaran medan magnet rotor. Rotor generator

Universitas Sumatera Utara

Page 15: Pltbs chapter ii

terdiri dari baja tempa dengan slot untuk konduktor yang disebut belitan medan.

Rotor dikelilingi oleh stator yang berisi konduktor tembaga. Medan magnet rotor

yang melewati stator membuat elektron dalam konduktor stator bergerak, elektron

yang bergerak ini disebut arus.

2.5.2.6. Feedwater Heater

Feedwater heater menaikkan suhu air umpan sebelum memasuki

economiser. Hal ini berguna agar tidak terjadi thermal stressing yang disebabkan

oleh masuknya air dingin ke dalam drum yang panas dalam boiler, selain itu juga

berguna untuk menaikkan efisiensi.

2.5.2.7. Pengaman Ketel Uap (Boiler)

a. Safety Valve

Berfungsi sebagai pengaman terhadap terjadinya tekanan uap lebih yang

diproduksi ketel uap [7].

b. Pengaman Boiler Drum Level

Berfungsi untuk mengontrol tinggi rendahnya permukaan air pada boiler

[7].

c. Pengaman Boiler Furnace

Berfungsi untuk mengontrol tekanan ruang bakar. Hal ini untuk menjamin

kestabilan proses pembakaran. Transportasi bahan bakar biomasa sawit ke

ruang bakar dan proses pengeluaran abu biomasa sawit dari dalam ruang

Universitas Sumatera Utara

Page 16: Pltbs chapter ii

bakar menuju alat penangkap debu . Bila batasan pengamanan terlampaui

dan menyimpang maka proses diatas akan terganggu [7].

d. Pengaman Boiler Main Stream Temperature

Fungsinya adalah mengontrol tinggi temperatur uap utama keluar

superheater. Selain itu juga berfungsi sebagai pengaman terjadinya

temperatur uap utama melebihi batas desain yang diijinkan. Pengamanan ini

dimaksudkan untuk menghindari terjadinya thermal stress pada suatu turbin

tingkat pertama akibat perbedaan temperatur terlalu tinggi antara temperatur

uap utama yang masuk dengan temperatur metal pada sudu turbin [7].

e. Pengaman Air Flow

Berfungsi untuk membatasi jumlah total udara yang masuk ke ruang bakar

pada saat proses pembilasan (purge) ketel uap. Pada saat pembilasan ketel

uap kita mengharapkan seluruh gas-gas sisa pembakaran yang terakumulasi

dalam ruang bakar dan saluran-saluran gas buang dapat kira-kira 600

ton/jam dibuang ke udara luar, minimal gas-gas sisa pembakaran bersih

dalam waktu 3 menit (desain) [7].

f. Pengaman Instrumen Air Pressure

Pengaman Instrumen air pressure adalah sebagai kebutuhan utama dalam

sistem kontrol pneumatic PLTU. Pasokan udara instrumen harus sangat

terjaga dan sangat spesial mengingat sumber tenaga seluruh kontrol ketel,

turbin dan alat bantunya terletak pada keandalan suplai udara instrumen

yang berkelanjutan dan tetap pada tekanan kerjanya. Mengingat keutamaan

dan fungsi udara instrumen sebagai sumber tenaga bagi seluruh kontrol

Universitas Sumatera Utara

Page 17: Pltbs chapter ii

boiler turbin dan alat bantunya maka apabila terjadi tekanan udara turun

dibawah titik kerjanya hal ini akan mengakibatkan seluruh fungsi kontrol

pneumatic terhenti dan akan menghentikan kegiatan operasi boiler dan

turbin [7].

g. Pengaman Scanner Cool Pressure

Berfungsi untuk mengamankan sistem pendingin pada scanner sensor

flame. Pendeteksian nyala api pada suatu boiler sangat penting untuk

meyakinkan adanya pembakaran, sehingga tidak akan terjadi penumpukan

bahan bakar akibat kegagalan penyalaan api. Pendeteksi nyala api

diamankan dari panasnya area ruang bakar dengan jalan memberikan

pendinginan berupa perapat udara bertekanan pada seluruh permukaan alat

pendeteksi api tersebut. Terganggunya sistem pendinginan ini akan

mengakibatkan melting point pada alat pendeteksi nyala api karena terjadi

kontak langsung antara alat dengan panasnya api yang dideteksi kerusakan

[7].

Universitas Sumatera Utara