際際滷

際際滷Share a Scribd company logo

Bab ii tinjauan teoritis lapdul biogas

Download as DOCX, PDF
Heri Riswandi
Heri Riswandi

Teori Instalasi Reaktor Biogas

1 of 13
Download to read offline
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 1 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat TINJAUAN TEORITIS Perkembangan energi baru dan terbarukan telah menjadi bagian strategis dalam kebijakan ketenagalistrikan nasional, karena kebergantungan yang tinggi terhadap sumber-sumber energi yang berasal dari fosil telah disadari akan mengancam keamanan dan keberlanjutan suplai energi nasional di masa yang akan datang. Oleh karena itu, pemerintah Indonesia telah menetapkan kebijakan diversifikasi energi yang dinyatakan dalam peraturan Presiden RI No. 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional, yaitu terwujudnya energy-mix yang optimal pada tahun 2025. Salah satu sasaran yang inign diwujudkan pada tahun 2025 adalah tercapainya pemanfaatan energi terbarukan lebih dari 15% dari total pemanfaatan energi nasional, yaitu : Bahan bakar nabati (biofuel) menjadi lebih dari 5% (lima persen) Panas bumi menjadi lebih dari 5% (lima persen) Energi baru dan energi berbarukan lainnya, khususnya biomassa, nuklir, tenaga air, tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5% (lima persen) Jenis energi terbarukan yang memiliki prospek cukup baik untuk dikembangkan adalah biogas yang potensi energinya cukup besar dan tersebar di wilayah Indonesia. Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob). Komponen bigas antara lain sebagai berikut : 賊 60% CH4 (Metana), 賊 38% CO2 (Kabron dioksida), dan 賊 2% N2, O2, H2, & H2S. Proses pembentukan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 2 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat anaerob di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (C02) yang volumenya lebih besar dari gas hydrogen (H2), Gas nitrogen (N2) dan gas hydrogen sulfide (H2S). proses fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas dengan suhu optimum 350C dan pH optimum pada range 6,4 7,9. Bakteri pembentuk biogas yang digunakan yaitu bakteri anaerob seperti Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus dan Methanosarcina (Price and Paul, 1981). Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi menandung gas CH4 sebesar 55 65%, gas CO2 sebesar 30 35% dan sedikit gas hydrogen (H2), gas nitgoren (N2) dan gas-gas lainnya. Panas yang dihasilkan sebesar 600 BTU/cuft. Sedangkan, biogas yang dibuat dari gas alam mengandung gas CH4 sebesar 80% dengan panas sebesar 1000 BTU/cuft. Kandungan gas CH4 dari bigoas dapat ditingkatkan dengan memisahkan gas CO2 dan gas H2S yang bersifat korosif. Reaksi pembentukan metan dari bahan-bahan organik yang dapat terdegradasi dengan bantuan enzim maupun bakteri dapat dilihat sebagai berikut : Reaksi kimia pembuatan biogas (gas metana) ada tiga tahap yaitu : 1. Reaksi Hidrolisa / Tahap Pelarutan Pada tahap ini bahan yang tidak larut seperti selulosa, polisakarida dan lemak diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 3 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat asam lemak. Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 250 di digester. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : 2. Reaksi Asidogenik / Tahap Pengasaman Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana anaerob. Tahap ini berlangsung pada suhu 250 C di digester. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : 3. Reaksi metanogenik / Tahap Gasifikasi Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan secara anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 250C di dalam digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30% CO2, sedikit H2. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : Menurut Wellinger and Lindenberg (2000), komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Namun demikian, komposisi biogas yang utama adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (C02) dengan sedikit hydrogen sulfide (H2S). komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil (trace element) antara lain senyawa sulfur organic, senyawa hidrokarbon terhalogenasi (Halogenated hydrocarbons), gas hydrogen (H2), gas
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 4 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Berikut ini tabel mengenai komposisi utama yang terdapat dalam biogas. Tabel 2.1 Komponen Utama Biogas No Komponen Satuan Komposisi 1*) 2**) 3***) 1 Gas Methan (CH4) % Vol 55-75 55-75 54-70 2 Karbon dioksida (CO2) % Vol 24-45 24-45 27-45 3 Nitrogen (N2) % Vol 0-0,3 <2 0-1 4 Hidrogen ( H2) % Vol 1-5 <1 0-1 5 Karbon Monoksida ( CO) % Vol 0,1 6 Oksigen ( O2) Ppm 0,1-0,5 <2 0,1 7 Hydrogen Sulfida ( H2S) Ppm 0-3 <2 sedikit Karakteristik biogas adalah sebagai berikut : 1. Biogas kira-kira memiliki berat 20 % lebih ringan dibandingkan udara dan memiliki suhu pembakaran antara 650 sampai 7500C. 2. Biogas tidak berbau dan berwarna yang apabaila dibakar akan menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG. 3. Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran 60 % pada konvesional kompor biogas. Panas pembakaran dari suatu bahan bakar adalah panas yang dihasilkan dari pembakaran sempurna bahan bakar pada bolume konstan dalam calorimeter dan dinyatakan dalam kal/kg atau Btu/lb. panas pembakaran dari bahan bakar bisa dinyatakan dalam High Heating Value (HHV). Dan Lower heating Value (LHV). High Heating value merupakan panas pembakaran dari bahan bakar yang di dalamnya masih termasuk latent heat dari uap air hasil pembakaran. Low Heating Value merupakan panas pembakaran dari bahan bakar setelah dikurangi latent heat dari uap hasil pembakaran Nilai kalor pembakaran yang terdapat pada biogas berupa High Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) pembakarannya dapat diperoleh dari tabel berikut :
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 5 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Tabel 2.2 Nilai kalor pembakaran biogas Komponen High heating Value Low Heating Value Kkal /m3 Kkal/Kg Kkal/M3 Kkal/Kg Hidrogen (H2) 2.842.21 33.903,61 2.402,62 2.8661,13 Kabon Monoksida(CO) 2.811,95 2.414,31 2.811,95 2.414,31 Gas Methan ( CH4) 8.851.43 13.265,91 7.973,13 11.953,76 Natural Gas 9.166,55 12.943,70 8.320,18 11.749,33 Biogas sebenarnya telah dimanafaatkan sejak lama. Kebudayaan Mesir, Cina dan Roma kuno diketahui telah memanfaatkan gas alam dengan cara dibakar untuk menghasilkan panas. Serajah penemuan proses anaerobic digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di benua Eropa. Penemuan ilmuwan Volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa dekade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas metana. Setelah tahun 1884 Pasteur melakukan penelitian tentang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian Pasteur menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Sejak tahun 1975, instalasi biogas mulai diperkenalkan di Cina. Cina memiliki biogas dengan skala rumah tangga dan telah dimanfaatkan oleh sepertiga rumah tangga di pedesaan. Tahun 1992, sekitar lima juta rumah tangga menggunakan instalasi biogas sehingga biogas merupakan bahan bakar utama penduduk Cina. Reaktor biogas yang banyak digunakan adalah model sumur tembok dengan bhan baku kotoran ternak dan manusia serta limbah pertanian. Tahun 1981 mulai dikembangkan instalasi biogas di India. Perkembangan instalasi biogas dilakukan oleh departemen sumber energi non-konvensional melalui program The National Project on biogas Development dengan melakukan riset terhadap perkembangan model instalasi biogas. Reaktor biogas yang digunakan sama dengan reaktor biogas yang dikembangkan di Cina yaitu menggunakan model sumur tembok dan dengan drum serta dengan bahan baku kotoran ternak dan limbah
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 6 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat pertanian. Tahun 1999, sekitar tiga juta rumah tangga di India menggunakan instalasi biogas. Di Indonesia, teknologi biogas telah dikenal pada tahun 70-an dengan pengiat utama para praktisi di perguruan tinggi dan NGO yang bergerak dalam teknologi tepat guna. Pada tahun 80-an, Departemen Pertanian mulai mengenalkan biogas kepada masyarakat pedesaan dengan bantuan FAO di beberapa provinsi sebagai percontohan. Periode 90-an, perkembangan biogas banyak dilakukan oleh NGO di Indonesia dengan LPTP Solo sebagai motor penggiatnya. Sampai awal tahun 2000-an, secara umum perkembangan biogas sangat lambat disebabkan karena harga minyak tanah subsidi yang murah. Periode 2003-2005, kegiatan pengembangan biogas aktif kembali sebagai respon terhadap berkurangnya subsidi minyak tanah. Saat ini, selain merupakan salah satu energi alternatif yang dikembangkan di Indonesia instalasi biogas juga merupakan unit pengolah limbah. Biogas di Indonesia pemanfaatannya lebih banyak dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi domestic yaitu untuk memasak di rumah-rumah. Pada dasarnya secara teori, semua bahan organik bila terurai akan menghasilkan biogas, tetapi agar biogas yang dihasilkan optimal, sangat diperngaruhi oleh : 1. Ratio C/N Hubungan antara jumlah Karbon dan Nitrogen yang terdapat pada bahan organic dinyatakan dalam terminology rasio (perbandingan kandungan) karbon/nitrogen (C/N). Apabila rasio C/N sangat tinggi, Nitrogen akan dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan protein dan kandungan karbon pada bahan. Sebagai akibatnya produksi metan akan menjadi rendah. Sebaliknya, apabila rasio C/N sangat rendah, nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam betuk amoniak (NH4). NH4
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 7 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat akan meningkatkan derajat pH bahan dalam digester, pH lebih tinggi dari 8,5 akan mematikan/menurunkan populasi bakteri metan. Tabel 2.3 Rasio C/N Dari Beberapa Bahan Organik Bahan Rasio C/N Kotoran Bebek 8 Kotoran manusia 8 Kotoran ayam 10 Kotoran kambing 12 Kotoran babi 18 Kotoran domba 19 Kotoran sapi/kerbau 24 Air hyacinth 25 Kotoran gajah 43 Jerami (jagung) 60 Jerami (padi) 70 Jerami (gandum) 90 Tahi gergajian Di atas 200 Sumber : Karki and Dixit (1984) 2. Nilai pH Produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran input di dalam digester (tempat pembentukan biogas) berada pada kisaran 6 dan 7. Pada tahap awal, ketika proses fermentasi asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH dalam digester dapat mencapai dibawah 5. Keadaan ini cenderung menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup di bawah pH 6.6. Kemudian ketika proses pencernaan berlangsung, konsentrasi NH4 bertambah. Penambahan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2 sampai 8,2. 3. Suhu Bakteri metanogen dalam keadaan tidak atif pada kondisi suhu ekstrim tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 350C. Ketika suhu udara turun sampai 100C produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 8 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat bagus yaitu pada kisaran mesofilik, yaitu kisaran antara suhu 25 300 C. Pengaturan suhu yang memadai pada digester membantu produksi gas khususnya di daerah dingin. 4. Waktu Tinggal dalam Pencerna (Digester/Tempat Pembentukan Biogas) Waktu tinggal dalam pencerna adalah rata-rata periode waktu saat input berada dalam digester dan proses pencernaan dilakukan oleh bakteri metanogen. Dalam jaringan pencerna dengan kotoran sapi, waktu tinggal diitung dari volume total digester dibagi volume input yang ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu, Antara 350C atau suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat. Terbentuknya biogas pada digester dari kotoran sapi 賊 1 minggu, sedangkan pada biogas dari kotoran manusia diperlukan 賊 6 bulan. Biogas yang dihasilkan dari sebuah instalasi biogas dapat dimanfaatkan : 1. Untuk memasak, biogas dapat digunakan sebbagai bahan bakar pada kompor biogas, dan digunakan untuk memasak. Unit biogas berukuran setidaknya 4 m3 mampu menyediakan bahan bakar untuk kebutuhan memasak sebuah keluarga yang terdiri dari 5 orang anggota keluarga. 2. Untuk penerangan, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar pada lampu. Untuk memperoleh cahaya setara dengan lampu lisrik 60 watt dibutuhkan 0,13 m3 biogas per jamnya. 3. Genset listrik, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar generator listrik 4. Bahan bakar kendaraan bermotor, dengan perlakuan tertentu, kualitas biogas dapat menyamai kualitas gas alam sehingga dapat digunakan untuk kendaraan. Khusus untuk wilayah pedesaan, manfaat lain dari biogas adalah : 1. Sumber daya yang lebih baik dan murah untuk memasak, penerangan dan pembangkit listrik.
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 9 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat 2. Menghasilkan pupuk yang berkualitas 3. Memperbaiki kondisi sanitasi dan higienitas masyarakat 4. Manfaat sosial, mengurangi beban untuk hutang dan mengurangi kerepotan beban kerja ibu-ibu dan tidak berasap ketika digunakan untuk memasak dipedesaan mapmu mengurangi penyakit mata dan paru-paru Berdasarkan bahan yang digunakan, setidaknya ada tiga jenis reaktor biogas, pertama reaktor biogas plastic, reaktor biogas fix dome fiber dan reaktor biogas fix dome beton. Gambar 2.1: BiogasFixdome beton Gambar 2.2: BiogasFixdome fiber Gambar 2.3: Biogasplastik
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 10 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Saat ini jenis reaktor yang paling banyak dibangun adalah reaktor tipe fix dome. Reaktor fix dome adalah reaktor yang memiliki volume tetap sehingga produksi gas akan meningkatkan tekanan dalam reaktor (biodigester). Oleh karena itu, dalam konstruksi ini gas yang terbentuk akan segera dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Jenis reaktor biogas fix dome beton banyak dipilih karena pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut : Material yang digunakan adalah material untuk pembangunan bangunan sipil yang sangat umum sehingga dapat diperoleh dengan mudah di lokasi pembangunan Teknologi yang digunakan adalah teknologi tepat guna yang relative sederhana, sehingga dapat dengan mudah dipelajari oleh penduduk local sehingga pada gilirannya nanti pembangunan biogas ini dapat dikembangkan secara mandiri. Umur pakai panjang, karena terbuat dari pasangan tembok bata dan beton, umur pakai reaktor biogas menjadi panjang, dengan pemeliharaan yang benar reaktor dapat dipakai sapai lebih dari 10 tahun. Sebuat reaktor biogas jenis fixdome memiliki 6 bagian utama yaitu : inlet (tanki pencampur) sebagai tempat kotoran hewan masuk, reaktor (ruang pencernaan anaerob), penampung gas (kubak/dome), outlet (ruang pemisah), system pengangkutan atau distribusi gas dan lubang kompos/bio- slurry. Secara keseluruhan reaktor biogas yang harus dibangun dalam pekerjaan ini, adalah seperti gambar berikut ini :
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 11 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Gambar 2.3 Instalasi biogas Fix Dome Cara kerja reaktor biogas fix dome ini secara sederhana adalah sebagai berikut : kotoran sapi yang merupakan limbah dari peternakan sapi akan dicampur dengan air. Campuran kotoran sapid an air (dicampur dalam tanki pencampur) dialirkan melalui saluran pipa inlet masuk ke dalam digester. Dalam digester campuran kotoran air tadi akan mengalami proses pencernaan (digestation) yang menghasilkan gas (terutama methan). Gas yang terbentuk kemudian akan tersimpan dalam penampungan gas (bagian atas kubah/dome). Setelah volume dan tekanannya cukup, gas dialirkan ke dalam kompor di dapur melalui saluran pipa distribusi, untuk selanjutnya gas tersebut digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk memasak dan keperluan lainnya. Slurry yang tak lain adalah sisa hasil pencernaan dalam digester akan mengalir keluar dari digester menuju outlet dan menjadi bio-slurry mengalir ke lubang slurry yang letaknya dalam rumah slurry biodigester. Di dalam rumah slurry ini, kemudian slurry akan diolah mnejadi pupuk organic yang nantinya dapat digunakan untuk pemupukan tanaman budidaya sesuai kebutuhan.
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 12 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Banyak factor yang harus di perhatikan agar implementasi dan pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat yang optimal, berkelanjutan dan tidak sia-sia. Faktor utama yang menentukan pembangunan instalasi biogas adalah jumlah kotoran ternak yang merupakan input reactor biogas. Oleh karena itu, untuk reactor biogas yang memanfaatkan kotoran sapi, jumlah sapi yang dimiliki peternak tidak boleh kurang dari 2 ekor. Lokasi yang paling ideal untuk pembangunan reaktor biogas ditentukan berdasarkan factor-faktor berikut : 1. Lokasi harus mempermudah pengerjaan kontruksi 2. Lokasi yang pilih harus sedemikian rupa sehingga tidak menyebabkan peningkatan biaya kontruksi 3. Lokasi yang dipilih harus yang mudah dijangkau untuk penggunaan dan pemeliharaan 4. Lokasi harus aman dari gangguan Berdasarkan factor-faktor di atas, pemilihan lokasi harus mempertimbangkan hal berikut : 1. Agar reaktor biogas dibangun nantinya dapat berfungsi efektif, suhu yang benar (20 300C) harus dapat dijaga di bagian dalam reaktor. Karenanya, tempat dingin dan berkabut harus dihindari. Tempat hangat yang disinari matahari lebih baik. 2. Lokasi konstruksi harus memiliki permukaan yang datar 3. Lokasi harus lebih tinggi dibandingkan sekitarnya untuk mencegah genangan air dan memperlancar aliran bio-slurry dari outlet ke lubang pembuatan kompos. Tempat pengolahan harus berlokasi dekat dengan kandang ternak untuk memudahkan penggunaan dan menghindari kehilangan bahan baku, khususnya kotoran ternak. 4. Pertimbangan jumlah air yang dibutuhkan untuk dicampur dengan kotoran. Sumber air yang jauh akan merepotkan. Untuk menjaga air
d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 13 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat supaya tidak terkena polusi, jarak sumur atau sumber mata air minimal 10 meter dari reaktor biogas, khususnya lubang bio-slurry. 5. Pipa gas yang terlalu panjang akan menambah resiko kebocoran gas dan biaya yang lebih tinggi. Katup gas utama yang terpasang di atas penampung gas harus dibuka dan ditutup sebelum dan sesudah biogas digunakan. Akan lebih baik jika tempat pengolahan dekat dengan tempat pemakaian. 6. Ujung tempat pengolahan minimal 2 meter dari fondasi rumah atau bangunan lain. 7. Lubang kompos harus cukup luas karena bagian ini merupakan satu kesatuan dari reaktor biogas. 8. Lokasi harus cukup jauh dari pepohonan untuk menghindari kerusakan reaktor biogas yang disebabkan oleh akar pohon. 9. Jenis tanah harus dapat menahan muatan untuk mencegah bangunan ambles ke dalam tanah. 10. Luas lahan yang dibutuhkan untuk membangun reaktor biogas minimal 3x6 meter. Apabila luas tempat menjadi masalah, kandang hewan ternak dapat didirikan di atas tempat pengolahan setelah reaktor biogas selesai di cor. Perencanaan yang baik dan lengkap menjadi penting, untuk menjamin agar implementasi dan pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat yang optimal, berkelanjutan dan tidak sia-sia, karena perencanaan berperan penting dalam menekan resiko terjadinya hal-hal yang tidak diinginkan. Dengan perecanaan, kita dapat memprediksi hal-hal yang tidak diinginkan yang mungkin akan terjadi di masa depan dan melakukan tindakan antisipasi sejak dini.

More Related Content

Bab ii tinjauan teoritis lapdul biogas

  • 1. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 1 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat TINJAUAN TEORITIS Perkembangan energi baru dan terbarukan telah menjadi bagian strategis dalam kebijakan ketenagalistrikan nasional, karena kebergantungan yang tinggi terhadap sumber-sumber energi yang berasal dari fosil telah disadari akan mengancam keamanan dan keberlanjutan suplai energi nasional di masa yang akan datang. Oleh karena itu, pemerintah Indonesia telah menetapkan kebijakan diversifikasi energi yang dinyatakan dalam peraturan Presiden RI No. 5 tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional, yaitu terwujudnya energy-mix yang optimal pada tahun 2025. Salah satu sasaran yang inign diwujudkan pada tahun 2025 adalah tercapainya pemanfaatan energi terbarukan lebih dari 15% dari total pemanfaatan energi nasional, yaitu : Bahan bakar nabati (biofuel) menjadi lebih dari 5% (lima persen) Panas bumi menjadi lebih dari 5% (lima persen) Energi baru dan energi berbarukan lainnya, khususnya biomassa, nuklir, tenaga air, tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5% (lima persen) Jenis energi terbarukan yang memiliki prospek cukup baik untuk dikembangkan adalah biogas yang potensi energinya cukup besar dan tersebar di wilayah Indonesia. Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob). Komponen bigas antara lain sebagai berikut : 賊 60% CH4 (Metana), 賊 38% CO2 (Kabron dioksida), dan 賊 2% N2, O2, H2, & H2S. Proses pembentukan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri
  • 2. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 2 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat anaerob di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (C02) yang volumenya lebih besar dari gas hydrogen (H2), Gas nitrogen (N2) dan gas hydrogen sulfide (H2S). proses fermentasi memerlukan waktu 7 sampai 10 hari untuk menghasilkan biogas dengan suhu optimum 350C dan pH optimum pada range 6,4 7,9. Bakteri pembentuk biogas yang digunakan yaitu bakteri anaerob seperti Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus dan Methanosarcina (Price and Paul, 1981). Biogas yang dibuat dari kotoran ternak sapi menandung gas CH4 sebesar 55 65%, gas CO2 sebesar 30 35% dan sedikit gas hydrogen (H2), gas nitgoren (N2) dan gas-gas lainnya. Panas yang dihasilkan sebesar 600 BTU/cuft. Sedangkan, biogas yang dibuat dari gas alam mengandung gas CH4 sebesar 80% dengan panas sebesar 1000 BTU/cuft. Kandungan gas CH4 dari bigoas dapat ditingkatkan dengan memisahkan gas CO2 dan gas H2S yang bersifat korosif. Reaksi pembentukan metan dari bahan-bahan organik yang dapat terdegradasi dengan bantuan enzim maupun bakteri dapat dilihat sebagai berikut : Reaksi kimia pembuatan biogas (gas metana) ada tiga tahap yaitu : 1. Reaksi Hidrolisa / Tahap Pelarutan Pada tahap ini bahan yang tidak larut seperti selulosa, polisakarida dan lemak diubah menjadi bahan yang larut dalam air seperti karbohidrat dan
  • 3. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 3 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat asam lemak. Tahap pelarutan berlangsung pada suhu 250 di digester. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : 2. Reaksi Asidogenik / Tahap Pengasaman Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana anaerob. Tahap ini berlangsung pada suhu 250 C di digester. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : 3. Reaksi metanogenik / Tahap Gasifikasi Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan secara anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 250C di dalam digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30% CO2, sedikit H2. Persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut : Menurut Wellinger and Lindenberg (2000), komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku yang digunakan. Namun demikian, komposisi biogas yang utama adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (C02) dengan sedikit hydrogen sulfide (H2S). komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran konsentrasi kecil (trace element) antara lain senyawa sulfur organic, senyawa hidrokarbon terhalogenasi (Halogenated hydrocarbons), gas hydrogen (H2), gas
  • 4. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 4 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas oksigen (O2). Berikut ini tabel mengenai komposisi utama yang terdapat dalam biogas. Tabel 2.1 Komponen Utama Biogas No Komponen Satuan Komposisi 1*) 2**) 3***) 1 Gas Methan (CH4) % Vol 55-75 55-75 54-70 2 Karbon dioksida (CO2) % Vol 24-45 24-45 27-45 3 Nitrogen (N2) % Vol 0-0,3 <2 0-1 4 Hidrogen ( H2) % Vol 1-5 <1 0-1 5 Karbon Monoksida ( CO) % Vol 0,1 6 Oksigen ( O2) Ppm 0,1-0,5 <2 0,1 7 Hydrogen Sulfida ( H2S) Ppm 0-3 <2 sedikit Karakteristik biogas adalah sebagai berikut : 1. Biogas kira-kira memiliki berat 20 % lebih ringan dibandingkan udara dan memiliki suhu pembakaran antara 650 sampai 7500C. 2. Biogas tidak berbau dan berwarna yang apabaila dibakar akan menghasilkan nyala api biru cerah seperti gas LPG. 3. Nilai kalor gas metana adalah 20 MJ/m3 dengan efisiensi pembakaran 60 % pada konvesional kompor biogas. Panas pembakaran dari suatu bahan bakar adalah panas yang dihasilkan dari pembakaran sempurna bahan bakar pada bolume konstan dalam calorimeter dan dinyatakan dalam kal/kg atau Btu/lb. panas pembakaran dari bahan bakar bisa dinyatakan dalam High Heating Value (HHV). Dan Lower heating Value (LHV). High Heating value merupakan panas pembakaran dari bahan bakar yang di dalamnya masih termasuk latent heat dari uap air hasil pembakaran. Low Heating Value merupakan panas pembakaran dari bahan bakar setelah dikurangi latent heat dari uap hasil pembakaran Nilai kalor pembakaran yang terdapat pada biogas berupa High Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV) pembakarannya dapat diperoleh dari tabel berikut :
  • 5. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 5 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Tabel 2.2 Nilai kalor pembakaran biogas Komponen High heating Value Low Heating Value Kkal /m3 Kkal/Kg Kkal/M3 Kkal/Kg Hidrogen (H2) 2.842.21 33.903,61 2.402,62 2.8661,13 Kabon Monoksida(CO) 2.811,95 2.414,31 2.811,95 2.414,31 Gas Methan ( CH4) 8.851.43 13.265,91 7.973,13 11.953,76 Natural Gas 9.166,55 12.943,70 8.320,18 11.749,33 Biogas sebenarnya telah dimanafaatkan sejak lama. Kebudayaan Mesir, Cina dan Roma kuno diketahui telah memanfaatkan gas alam dengan cara dibakar untuk menghasilkan panas. Serajah penemuan proses anaerobic digestion untuk menghasilkan biogas tersebar di benua Eropa. Penemuan ilmuwan Volta terhadap gas yang dikeluarkan di rawa-rawa terjadi pada tahun 1770, beberapa dekade kemudian Avogadro mengidentifikasikan tentang gas metana. Setelah tahun 1884 Pasteur melakukan penelitian tentang biogas menggunakan kotoran hewan. Era penelitian Pasteur menjadi landasan untuk penelitian biogas hingga saat ini. Sejak tahun 1975, instalasi biogas mulai diperkenalkan di Cina. Cina memiliki biogas dengan skala rumah tangga dan telah dimanfaatkan oleh sepertiga rumah tangga di pedesaan. Tahun 1992, sekitar lima juta rumah tangga menggunakan instalasi biogas sehingga biogas merupakan bahan bakar utama penduduk Cina. Reaktor biogas yang banyak digunakan adalah model sumur tembok dengan bhan baku kotoran ternak dan manusia serta limbah pertanian. Tahun 1981 mulai dikembangkan instalasi biogas di India. Perkembangan instalasi biogas dilakukan oleh departemen sumber energi non-konvensional melalui program The National Project on biogas Development dengan melakukan riset terhadap perkembangan model instalasi biogas. Reaktor biogas yang digunakan sama dengan reaktor biogas yang dikembangkan di Cina yaitu menggunakan model sumur tembok dan dengan drum serta dengan bahan baku kotoran ternak dan limbah
  • 6. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 6 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat pertanian. Tahun 1999, sekitar tiga juta rumah tangga di India menggunakan instalasi biogas. Di Indonesia, teknologi biogas telah dikenal pada tahun 70-an dengan pengiat utama para praktisi di perguruan tinggi dan NGO yang bergerak dalam teknologi tepat guna. Pada tahun 80-an, Departemen Pertanian mulai mengenalkan biogas kepada masyarakat pedesaan dengan bantuan FAO di beberapa provinsi sebagai percontohan. Periode 90-an, perkembangan biogas banyak dilakukan oleh NGO di Indonesia dengan LPTP Solo sebagai motor penggiatnya. Sampai awal tahun 2000-an, secara umum perkembangan biogas sangat lambat disebabkan karena harga minyak tanah subsidi yang murah. Periode 2003-2005, kegiatan pengembangan biogas aktif kembali sebagai respon terhadap berkurangnya subsidi minyak tanah. Saat ini, selain merupakan salah satu energi alternatif yang dikembangkan di Indonesia instalasi biogas juga merupakan unit pengolah limbah. Biogas di Indonesia pemanfaatannya lebih banyak dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi domestic yaitu untuk memasak di rumah-rumah. Pada dasarnya secara teori, semua bahan organik bila terurai akan menghasilkan biogas, tetapi agar biogas yang dihasilkan optimal, sangat diperngaruhi oleh : 1. Ratio C/N Hubungan antara jumlah Karbon dan Nitrogen yang terdapat pada bahan organic dinyatakan dalam terminology rasio (perbandingan kandungan) karbon/nitrogen (C/N). Apabila rasio C/N sangat tinggi, Nitrogen akan dikonsumsi sangat cepat oleh bakteri metan sampai batas persyaratan protein dan kandungan karbon pada bahan. Sebagai akibatnya produksi metan akan menjadi rendah. Sebaliknya, apabila rasio C/N sangat rendah, nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam betuk amoniak (NH4). NH4
  • 7. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 7 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat akan meningkatkan derajat pH bahan dalam digester, pH lebih tinggi dari 8,5 akan mematikan/menurunkan populasi bakteri metan. Tabel 2.3 Rasio C/N Dari Beberapa Bahan Organik Bahan Rasio C/N Kotoran Bebek 8 Kotoran manusia 8 Kotoran ayam 10 Kotoran kambing 12 Kotoran babi 18 Kotoran domba 19 Kotoran sapi/kerbau 24 Air hyacinth 25 Kotoran gajah 43 Jerami (jagung) 60 Jerami (padi) 70 Jerami (gandum) 90 Tahi gergajian Di atas 200 Sumber : Karki and Dixit (1984) 2. Nilai pH Produksi biogas secara optimum dapat dicapai bila nilai pH dari campuran input di dalam digester (tempat pembentukan biogas) berada pada kisaran 6 dan 7. Pada tahap awal, ketika proses fermentasi asam organik dalam jumlah besar diproduksi oleh bakteri pembentuk asam, pH dalam digester dapat mencapai dibawah 5. Keadaan ini cenderung menghentikan proses pencernaan atau proses fermentasi. Bakteri-bakteri metanogenik sangat peka terhadap pH dan tidak bertahan hidup di bawah pH 6.6. Kemudian ketika proses pencernaan berlangsung, konsentrasi NH4 bertambah. Penambahan nitrogen dapat meningkatkan nilai pH di atas 8. Ketika produksi metana dalam kondisi stabil, kisaran nilai pH adalah 7,2 sampai 8,2. 3. Suhu Bakteri metanogen dalam keadaan tidak atif pada kondisi suhu ekstrim tinggi maupun rendah. Suhu optimum yaitu 350C. Ketika suhu udara turun sampai 100C produksi gas menjadi berhenti. Produksi gas sangat
  • 8. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 8 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat bagus yaitu pada kisaran mesofilik, yaitu kisaran antara suhu 25 300 C. Pengaturan suhu yang memadai pada digester membantu produksi gas khususnya di daerah dingin. 4. Waktu Tinggal dalam Pencerna (Digester/Tempat Pembentukan Biogas) Waktu tinggal dalam pencerna adalah rata-rata periode waktu saat input berada dalam digester dan proses pencernaan dilakukan oleh bakteri metanogen. Dalam jaringan pencerna dengan kotoran sapi, waktu tinggal diitung dari volume total digester dibagi volume input yang ditambah setiap hari. Waktu tinggal juga tergantung pada suhu, Antara 350C atau suhu lebih tinggi, waktu tinggal semakin singkat. Terbentuknya biogas pada digester dari kotoran sapi 賊 1 minggu, sedangkan pada biogas dari kotoran manusia diperlukan 賊 6 bulan. Biogas yang dihasilkan dari sebuah instalasi biogas dapat dimanfaatkan : 1. Untuk memasak, biogas dapat digunakan sebbagai bahan bakar pada kompor biogas, dan digunakan untuk memasak. Unit biogas berukuran setidaknya 4 m3 mampu menyediakan bahan bakar untuk kebutuhan memasak sebuah keluarga yang terdiri dari 5 orang anggota keluarga. 2. Untuk penerangan, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar pada lampu. Untuk memperoleh cahaya setara dengan lampu lisrik 60 watt dibutuhkan 0,13 m3 biogas per jamnya. 3. Genset listrik, biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar generator listrik 4. Bahan bakar kendaraan bermotor, dengan perlakuan tertentu, kualitas biogas dapat menyamai kualitas gas alam sehingga dapat digunakan untuk kendaraan. Khusus untuk wilayah pedesaan, manfaat lain dari biogas adalah : 1. Sumber daya yang lebih baik dan murah untuk memasak, penerangan dan pembangkit listrik.
  • 9. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 9 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat 2. Menghasilkan pupuk yang berkualitas 3. Memperbaiki kondisi sanitasi dan higienitas masyarakat 4. Manfaat sosial, mengurangi beban untuk hutang dan mengurangi kerepotan beban kerja ibu-ibu dan tidak berasap ketika digunakan untuk memasak dipedesaan mapmu mengurangi penyakit mata dan paru-paru Berdasarkan bahan yang digunakan, setidaknya ada tiga jenis reaktor biogas, pertama reaktor biogas plastic, reaktor biogas fix dome fiber dan reaktor biogas fix dome beton. Gambar 2.1: BiogasFixdome beton Gambar 2.2: BiogasFixdome fiber Gambar 2.3: Biogasplastik
  • 10. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 10 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Saat ini jenis reaktor yang paling banyak dibangun adalah reaktor tipe fix dome. Reaktor fix dome adalah reaktor yang memiliki volume tetap sehingga produksi gas akan meningkatkan tekanan dalam reaktor (biodigester). Oleh karena itu, dalam konstruksi ini gas yang terbentuk akan segera dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Jenis reaktor biogas fix dome beton banyak dipilih karena pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut : Material yang digunakan adalah material untuk pembangunan bangunan sipil yang sangat umum sehingga dapat diperoleh dengan mudah di lokasi pembangunan Teknologi yang digunakan adalah teknologi tepat guna yang relative sederhana, sehingga dapat dengan mudah dipelajari oleh penduduk local sehingga pada gilirannya nanti pembangunan biogas ini dapat dikembangkan secara mandiri. Umur pakai panjang, karena terbuat dari pasangan tembok bata dan beton, umur pakai reaktor biogas menjadi panjang, dengan pemeliharaan yang benar reaktor dapat dipakai sapai lebih dari 10 tahun. Sebuat reaktor biogas jenis fixdome memiliki 6 bagian utama yaitu : inlet (tanki pencampur) sebagai tempat kotoran hewan masuk, reaktor (ruang pencernaan anaerob), penampung gas (kubak/dome), outlet (ruang pemisah), system pengangkutan atau distribusi gas dan lubang kompos/bio- slurry. Secara keseluruhan reaktor biogas yang harus dibangun dalam pekerjaan ini, adalah seperti gambar berikut ini :
  • 11. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 11 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Gambar 2.3 Instalasi biogas Fix Dome Cara kerja reaktor biogas fix dome ini secara sederhana adalah sebagai berikut : kotoran sapi yang merupakan limbah dari peternakan sapi akan dicampur dengan air. Campuran kotoran sapid an air (dicampur dalam tanki pencampur) dialirkan melalui saluran pipa inlet masuk ke dalam digester. Dalam digester campuran kotoran air tadi akan mengalami proses pencernaan (digestation) yang menghasilkan gas (terutama methan). Gas yang terbentuk kemudian akan tersimpan dalam penampungan gas (bagian atas kubah/dome). Setelah volume dan tekanannya cukup, gas dialirkan ke dalam kompor di dapur melalui saluran pipa distribusi, untuk selanjutnya gas tersebut digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk memasak dan keperluan lainnya. Slurry yang tak lain adalah sisa hasil pencernaan dalam digester akan mengalir keluar dari digester menuju outlet dan menjadi bio-slurry mengalir ke lubang slurry yang letaknya dalam rumah slurry biodigester. Di dalam rumah slurry ini, kemudian slurry akan diolah mnejadi pupuk organic yang nantinya dapat digunakan untuk pemupukan tanaman budidaya sesuai kebutuhan.
  • 12. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 12 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat Banyak factor yang harus di perhatikan agar implementasi dan pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat yang optimal, berkelanjutan dan tidak sia-sia. Faktor utama yang menentukan pembangunan instalasi biogas adalah jumlah kotoran ternak yang merupakan input reactor biogas. Oleh karena itu, untuk reactor biogas yang memanfaatkan kotoran sapi, jumlah sapi yang dimiliki peternak tidak boleh kurang dari 2 ekor. Lokasi yang paling ideal untuk pembangunan reaktor biogas ditentukan berdasarkan factor-faktor berikut : 1. Lokasi harus mempermudah pengerjaan kontruksi 2. Lokasi yang pilih harus sedemikian rupa sehingga tidak menyebabkan peningkatan biaya kontruksi 3. Lokasi yang dipilih harus yang mudah dijangkau untuk penggunaan dan pemeliharaan 4. Lokasi harus aman dari gangguan Berdasarkan factor-faktor di atas, pemilihan lokasi harus mempertimbangkan hal berikut : 1. Agar reaktor biogas dibangun nantinya dapat berfungsi efektif, suhu yang benar (20 300C) harus dapat dijaga di bagian dalam reaktor. Karenanya, tempat dingin dan berkabut harus dihindari. Tempat hangat yang disinari matahari lebih baik. 2. Lokasi konstruksi harus memiliki permukaan yang datar 3. Lokasi harus lebih tinggi dibandingkan sekitarnya untuk mencegah genangan air dan memperlancar aliran bio-slurry dari outlet ke lubang pembuatan kompos. Tempat pengolahan harus berlokasi dekat dengan kandang ternak untuk memudahkan penggunaan dan menghindari kehilangan bahan baku, khususnya kotoran ternak. 4. Pertimbangan jumlah air yang dibutuhkan untuk dicampur dengan kotoran. Sumber air yang jauh akan merepotkan. Untuk menjaga air
  • 13. d LAPORAN PENDAHULUAN BAB II 13 Updating Perencanaan Pembangunan Instalasi Biogas di Kab. Bandung Dinas Energi dan Sumber Daya Mineral Provinsi Jawa Barat supaya tidak terkena polusi, jarak sumur atau sumber mata air minimal 10 meter dari reaktor biogas, khususnya lubang bio-slurry. 5. Pipa gas yang terlalu panjang akan menambah resiko kebocoran gas dan biaya yang lebih tinggi. Katup gas utama yang terpasang di atas penampung gas harus dibuka dan ditutup sebelum dan sesudah biogas digunakan. Akan lebih baik jika tempat pengolahan dekat dengan tempat pemakaian. 6. Ujung tempat pengolahan minimal 2 meter dari fondasi rumah atau bangunan lain. 7. Lubang kompos harus cukup luas karena bagian ini merupakan satu kesatuan dari reaktor biogas. 8. Lokasi harus cukup jauh dari pepohonan untuk menghindari kerusakan reaktor biogas yang disebabkan oleh akar pohon. 9. Jenis tanah harus dapat menahan muatan untuk mencegah bangunan ambles ke dalam tanah. 10. Luas lahan yang dibutuhkan untuk membangun reaktor biogas minimal 3x6 meter. Apabila luas tempat menjadi masalah, kandang hewan ternak dapat didirikan di atas tempat pengolahan setelah reaktor biogas selesai di cor. Perencanaan yang baik dan lengkap menjadi penting, untuk menjamin agar implementasi dan pembangunan instalasi biogas dapat memberi manfaat yang optimal, berkelanjutan dan tidak sia-sia, karena perencanaan berperan penting dalam menekan resiko terjadinya hal-hal yang tidak diinginkan. Dengan perecanaan, kita dapat memprediksi hal-hal yang tidak diinginkan yang mungkin akan terjadi di masa depan dan melakukan tindakan antisipasi sejak dini.