Pengembangan tungku biomass untuk CHP-ORC (Combine Heat Power - Organic Rankine Cycle) dengan menggunakan Batok Kelapa

Dewasa ini kebutuhan akan listrik semakin meningkat, hal ini dikarenakan meningkatnya taraf kehidupan masyarakat yang menggunakan peralatan yang bersumber pada listrik. Hal ini tentunya berpengaruh pada jumlah pasokan listrik yang harus dipenuhi. Pembangkit listrik yang ada di Indonesia umumnya menggunakan Pembangkit Listrik dengan sumber energi fosil sebagai bahan bakarnya, batubara contohnya. Saat ini penggunaan batubara dinilai tidak ramah lingkungan karena dapat mencemari udara dan merusak lapisan ozon seperti yang terlihat pada gambar 1. Pembangkit Listrik yang banyak ditemukan di Indonesia umunya juga menggunakan fluida air yang butuh suhu tinggi untuk dapat berubah fase

                                 Gambar 1. Ilustrasi Polusi PLTU (sumber : http://batamnews.co.id/berita-1697- 

                                              warga-keluhkan-pencemaran-asap-pltu-blh-debunya-masih-normal.html)

Apakah ada perkembangan teknologi untuk mengatasi hal tersebut?Ada, solusi tersebut adalah dengan dikembangkannya metode yang dinamakan Organic Rankine Cycle atau biasa disingkat dengan ORC. Organic Rankine cycle ini mempunyai perbedaan mendasar dengan Pembangkit listrik konvensional yang berbahan bakar batubara yaitu pada suhu operasi dan fluida kerja. Pada ORC fluida kerja yang digunakan adalah organic dengan suhu operasi bisa dibawah 100 derajat C. Karena suhu operasi yang rendah sehingga memungkinkan penggunakan sumber energi terbarukan seperti biomass dan radiasi matahari. 

Pada tahun 2016 saya menangkap peluang penggunaan biomass pada tungku sebagai sumber energi CHP-ORC, dinama panas dari tungku akan dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk Organic Rankine Cycle dan panas buangnya dimanfaatkan untuk mesin Pengeringan. Alhamdulillah ide ini dibiaya KEMENRISTEK dikti pada tahun 2016 untuk tahap awal pembuatan tungku, Heat Exchanger / boiler dan pengering dengan memanfaatkan panas buangnya. Dalam pengerjaan penelitian ini dibantu rekan 1 tim di Divisi TET (Teknik Energi terbarukan) dan 3 orang mahasiswa S1.

Ada 3 kegiatan utama dalam rangkaian kegiatan tahun 2016 tersebut, yaitu :

1. Perancangan Tungku :

Tungku dirancang untuk bahan biomas batok kelapa. Produksi buah kelapa di Indonesia rata-rata 15,5 milyar butir pertahun, total bahan ikutan yang dapat diperoleh 3,75 juta ton air, 0,75 juta ton arang tempurung, 1,8 juta ton serat sabut, dan 3,3 juta ton debu sabut. Industri pengolahan buah kelapa umumnya masih terfokus kepada pengolahan hasil daging buah sebagai hasil utama, sedangkan industri yang mengolah hasil samping buah seperti air, sabut, dan tempurung kelapa masih secara tradisional dan berskala kecil, padahal potensi ketersediaan bahan baku untuk membangun industri pengolahannya masih sangat besar.

Jumlah produksi buah kelapa di Indonesia pada tahun 2007 mencapai 3.193.300. Dari 1 butir kelapa menghasilkan 12 % tempurung kelapa seperti yang tertera pada tabel 1. Berdasarkan data di atas maka total biomassa tempurung kelapa dari produksi buah kelapa di Indonesia mencapai 383.196 ton pertahun 2007. Data jumlah biomassa tempurung kelapa akan meningkat seiring peningkatan lahan untuk memproduksi buah kelapa oleh pemerintah. Peningkatan produktivitas buah kelapa dilakukan karena permintaan konsumen yang memerlukan hasil produksi dari buah kelapa seperti minyak kelapa untuk kegiatan keseharian.

   Tabel 1. Potensi ketersediaan batok kelapa

No	Produk	Tipe limbah biomassa	Potensi
1	Padi	jerami	58% padi
2	Gabah	sekam	20% gabah
3	Jagung	batang jagung	30% jagung
4	Jagung	daun jagung	58% jagung
5	Jagung	tongkol	12% jagung tongkol
6	Jagung	kulit jagung	6% jagung tongkol
7	Kelapa	serabut	35% kelapa
8	Kelapa	tempurung kelapa	12% kelapa
9	Kelapa sawit	serat	11-12% TBS
10	Kelapa sawit	cangkang	5-7% TBS
11	Kelapa sawit	tandan kosong	20-23% TBS
12	Gula	ampas tebu	30% tebu

Pemanfaatan tempurung kelapa yang telah dilakukan oleh masyarakat antara lain sebagai bahan baku kerajinan tangan dan arang aktif. Kenyataannya masih banyak limbah tempurung kelapa yang belum termanfaatkan. Tempurung kelapa sebenarnya mempunyai prospek sebagai bahan bakar karena memiliki nilai kalor yang cukup tinggi seperti yang tertera pada gambar 2 sedangkan nilai proximate dan ultimate seperti yang tertera pada tabel 1.

                                           Gambar 2. Nilai Kalor Batok Kelapa

                       Tabel 2. Nilai Proximate dan ultimate batok kelapa

No	Analisis	Kandungan (%)	Metode
1	Nilai kalor	19783.79	kJ/kg
Kandungan Proksimat
1	Kadar air	10.87	ASTM D 3173
2	Kadar abu	0.44	ASTM D 3174
3	Kadar Volatil	70.58	ASTM D 3175
4	Karbon tetap	18.11	perhitungan
Kandungan Ultimat
1	Kadar air	10.87	ASTM D 3173
2	Abu	0.44	ASTM D 3174
3	Karbon (C)	42.22	ASTM D 5373
4	Hidrogen (H)	4.59	ASTM D 5373
5	Nitrogen (N)	0.09	ASTM D 5373
6	Sulfur (S)	0.25	ASTM D 4239
7	Oksigen (O)	41.54	perhitungan

Rancangan tungku ini dirancang untuk batok kelapa dengan kapasitas 15 kg/jam. Tungku juga dirancang dengan konveyor yang dijalankan dengan motor dengan inverter supaya dapat diatur kecepatannya. Input udara ada 2 yaitu untuk primary and secondary air. Rancangan tungku dan bagian-bagiannya dapat dilihat pada gambar 3 dan 4. video pengujian khusus tungku biomass ini dapat dilihat pada : https://youtu.be/E7JqqIvaZCI

                                 Gambar 3. Rancangan Tungku batok kelapa untuk CHP-ORC

                                            Gambar 4. Bagian-bagian tungku batok kelapa

2. Perancangan Heat Exchanger / Boiler :

Heat exchanger yang dirancang adalah heat exchanger tipe shell and tube. Perancangan dilakukan dengan geometri peletakan tube secara horizontal dan sumber fluegas berada diluar. Panas dari reaktor pembakaran dimanfaatkan untuk menghasilkan gas asap yang panas yang akan mengalir melalui bagian dalam tube yang selanjutnya mengalirkan panas melalui bagian shell. Heat exchanger hasil perancangan pada bagian shell memiliki ketebalan 12 mm yang terbuat dari baja dengan diameter 320 mm dan panjang 900 mm. Bagian tube yang dirancang sebanyak 17 buah yang terbuat dari tembaga dengan tebal 1.2 mm, diameter 25.4 mm panjang 940 mm. Bagian sirip dilakukan dengan menggunakan ring tembaga dengan ketebalan 1 mm dan bentuk geometri trapezoidal. Tubesheet terbuat dari tembaga dengan diameter 320 mm dan 400 mm. Pada saluran pipa aliran air masuk dan keluar digunakan pipa pvc dan pipa besi dengan diameter 25.4 mm. Kaki penyangga heat exchanger menggunakan besi hollow square dengan tebal 2 mm. Pemilihan bahan ini dilakukan untuk mendapatkan koefisien pindah panas yang baik yaitu tembaga dan kekuatan untuk menopang berat heat exchanger yaitu besi hollow square. HE yang dirancang seperti yang terlihat pada gambar 5

                                       Gambar 5. Rancangan Heat Exhanger / Boiler

3. Perancangan Pengeringan 
Pengeringan ini akan digunakan untuk mengeringkan enceng gondog.

Rancangan struktural adalah analisis dari komponen-komponen alat yang telah dibahas pada rancangan fungsional. Bentuk, ukuran dan bahan dari masing-masing komponen ditentukan dari rancangan struktural. Skema proses secara keseluruhan dapat dilihat Gambar 6 terdiri dari inlet pengering (1), heat exchanger (2), inlet udara (3), ruang plenum (4), bak pengering (5), tutup pengering (6), cerobong pengering (7), dan blower (8).

                                                   Gambar 6. Rancangan Pengering

Kemudian 3 komponen-komponen utama tersebut dirangkai dan diuji dengan diambil datanya mengunaka data akuisisi. Data akuisisi yang digunakan pada pengambilan data ini adalah National Instrument seperti yang terlihat pada gambar 7. 

                                                   Gambar 7. Perakitan dan pengujian

Pada gambar 8, 9 dan 10 merupakan hasil pengujian pada tungku, Heat Exchanger dan ruang pengering yang memanfaatkan panas buang. Pada gambar 8 dapat dilihat bahwa pada tungku dapat mencapai 800 derajat C. Sedangkan suhu pada boiler dapat dilihat pada gambar 9 yang bisa mencapai 98 derajar Celcius. Pada gambar 10 merupakan gambar suhu pada ruang pengering yang bisa mencapai 40 derajat Celcius

                               Gambar 8. Suhu pada tungku dengan bahan bakar Batok Kelapa

                                                         Gambar 9. Suhu pada Boiler

                                                    Gambar 10. Suhu pada ruang pengering
Untuk dapat membaca detail tentang bagian-bagian penelitian ini dapat dengan membuka file sbb :

1. STUDY OF TEMPERATURE CHARACTERIZATION OF AGRICULTURAL WASTE IN THE DEVELOPMENT OF STOVE FOR COMBINE HEAT POWER. Merupakan prosiding seminar internasional I-Trec terindeks scopus dengan link sbb : http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4979247
2. PERFORMANCE OF DRYER USING WASTE HEAT OF EVAPORATION FROM COMBINE HEAT POWER STOVE. Merupakan Prosidding Seminar nasional terindeks google schole denga link sbb : https://www.researchgate.net/profile/Rosyida_Permatasari/publication/312043902_Optimalisasi_Desain_Alat_Penukar_Panas_Jenis_Shell_and_Tube_Heat_Exchanger_Menggunakan_Metoda_Computational_Fluid_Dynamics/links/586c9a0608ae329d621221d5/Optimalisasi-Desain-Alat-Penukar-Panas-Jenis-Shell-and-Tube-Heat-Exchanger-Menggunakan-Metoda-Computational-Fluid-Dynamics.pdf#page=117

sayangnya pada tahun 2017 penelitian ini tidak dibiayai, namun tahun ini 2018 dapat lagi dana penelitian dari KEMENRISTEK dikti untuk melanjutkan penelitian ini. 

untuk keperluan diskusi tentang perancangan tungku / Heat Exchanger dan Mesin pengering dapat menghubungi :

Dr. Muhamad Yulianto, ST., MT
email : muhamad_yulianto@yahoo.com atau yulianto.tegal@gmail.com