BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Biomassa

Biomassa adalah suatu limbah benda padat yang bisa dimanfaatkan lagi sebagai

sumber bahan bakar. Biomassa meliputi limbah kayu, limbah pertanian, limbah perkebunan,

limbah hutan, komponen organik dari industri dan rumah tangga. Energi biomassa dapat

menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil (minyak bumi) karena beberapa

sifatnya yang menguntungkan yaitu sumber energi ini dapat dimanfaatkan secara lestari

karena sifatnya yang dapat diperbaharui (renewable resources), sumber energi ini relatif tidak

mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat

meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya hutan dan pertanian (1).

Selain digunakan untuk tujuan primer seperti serat, bahan pangan, pakan ternak,

minyak nabati, bahan bangunan dan sebagainya, biomassa juga digunakan sebagai bahan

energi (bahan bakar). Umumnya yang digunakan sebagai bahan bakar adalah biomassa yang

nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya.

Gambar 2.1 Biomassa

Teknologi konversi thermal biomassa meliputi pembakaran langsung, gasifikasi, dan

pirolisis atau karbonisasi. Masing-masing metode memiliki karakteristik yang berbeda dilihat

dari komposisi udara dan produk yang dihasilkan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Potensi energi tarbarukan yang besar dan belum banyak dimanfaatkan adalah energi

dari biomassa. Potensi energi biomassa sebesar 50.000 MW hanya 320 MW yang sudah

dimanfaatkan atau hanya 0,64% dari seluruh potensi yang ada. Potensi biomassa di Indonesia

bersumber dari produk limbah kelapa sawit, jambu mete, penggilingan padi, kayu, pabrik

gula, kakao, dan limbah industri pertanian lainnya (2).

2.1.1 Tongkol Jagung

Jagung (Zea mays L.) merupakan salah satu tanaman pangan dunia yang terpenting,

selain gandum dan padi. Tanaman jagung merupakan salah satu jenis tanaman pangan biji-

bijian dari keluarga rumput-rumputan. Berasal dari Amerika yang tersebar ke Asia dan Afrika

melalui kegiatan bisnis orang-orang Eropa ke Amerika. Sekitar abad ke-16 orang Portugal

menyebarluaskannya ke Asia termasuk Indonesia. Orang Belanda menamakannya mais dan

orang Inggris menamakannya corn.

Gambar 2.2 Jagung

Sebagai sumber karbohidrat utama di Amerika Tengah dan Selatan, jagung juga

menjadi alternatif sumber pangan di Amerika Serikat. Penduduk beberapa daerah di

Indonesia (misalnya di Madura dan Nusa Tenggara) juga menggunakan jagung sebagai

pangan pokok. Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung juga ditanam sebagai pakan ternak

(hijauan maupun tongkolnya), diambil minyaknya (dari bulir), dibuat tepung (dari bulir,

dikenal dengan istilah tepung jagung atau maizena), dan bahan baku industri (dari tepung

bulir dan tepung tongkolnya). Tongkol jagung kaya akan pentosa, yang dipakai sebagai bahan

baku pembuatan furfural. Jagung yang telah direkayasa genetika juga sekarang ditanam

sebagai penghasil bahan farmasi.

Pada dasarnya limbah tongkol jagung melimpah tetapi tidak termanfaatkan dengan

optimal. Dengan ini timbul gagasan untuk memanfaatkannya supaya mempunyai nilai lebih.

Briquetting merupakan metode yang efektif untuk mengkonversi bahan baku padat menjadi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

suatu bentuk hasil kompaksi yang lebih efektif, efisien dan mudah untuk digunakan. Adapun

alasan pemilihan tongkol jagung sebagai bahan utama dikarenakan jumlahnya yang sangat

melimpah dan tidak optimal dalam pemanfaatannya bahkan bisa dikatan tidak terpakai

(limbah).

Gambar 2.3Tongkol Jagung

Tabel 2.1 Komposisi kimia limbah jagung

Komponen Tongkol Jagung

Air (%) 7,68

Serat (%) 38,99 (crude fiber)

Selulosa (%) 19,49

Xilan (%) 12,4

Lignin (%) 9,1 Sumber: Richana et al. (2004).

2.2 Tungku

Adalah alat pembakar yang umumnya menggunakan bahan bakar padat yang

berfungsi untuk memasak. Tungku dapat terbuat dari logam, keramik, gerabah, dan batu

tahan api yang berfungsi sebagai media pemanas. Tungku berbeda dengan kompor karena

tungku tidak menggunakan sumbu. Serta bersifat portable.

2.2.1 Jenis-Jenis Tungku

a. Tungku Tanah Liat.

Tungku jenis tanah liat ini umum digunakan di banyak daerah. Cara penggunaannya

sangat sederhana dan menggunakan sedikit kayu karena tanah liat membantu menyediakan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

panas untuk memasak. Tungku tanah liat dibuat dari lempengan tanah liat 75%, kotoran sapi

kering 25% dan sejumlah kecil semen 5%, serta sedikit air untuk membuat campuran yang

lembek.

Gambar 2.4 Tungku Tanah Liat

b. Tungku Drum

Drum bekas bisa dimanfaatkan sebagai tungku sederhana berukuran besar, bahan-

bahan yang digunakan berupa pasir, bebatuan dan daun pisang. Cara ini menggunakan sedikit

kayu untuk memasak makanan dengan jumlah yang sama dibandingkan dengan memasak

menggunakn api. Selain itu, makanan masih menyimpan banyak nutrisi-nutrisi dibandingkan

dengan cara merebus atu menggoreng.

Gambar 2.5 Tungku Drum

c. Tungku Serbuk Gergaji

Tungku ini menggunakan serbuk gergaji sebagai bahan bakar untuk memasak.

Tungku ini mungkin juga bisa bekerja dengan menggunakan sekam padi dan sekam kopi

kering, tapi sebaiknya dicoba terlebih dahulu untuk menentukan mana yang terbaik. Asap

hasil pembakaran tungku ini relatif sedikit sehingga tidak mengganggu lingkungan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 2.6 Tungku Serbuk Gergaji

d. Tungku Plat Logam

Tungku plat logam menggunakan sekam padi atau sekam kopi untuk membakar

sebagai ganti kayu bakar. Tungku ini didesain sedemikian rupa sehingga udara yang masuk

melalui bagian bawah akan menjaga sekam yang terbakar secara terus-menerus.

Gambar 2.7 Tungku Plat Logam

e. Tungku Briket

Tungku yang sudah banyak beredar dipasaran saat ini terbuat dari bahan tembikar

(tanah liat), selain murah juga menghasilkan effisinsi antara 31 - 33% dan sudah terbukti

kehandalannya terutama dalam menekan laju emisi. (3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 2.8 Tungku Briket

2.3 Bahan Bakar

Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi energi. Biasanya

bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan dimanipulasi. Kebanyakan

bahan bakar digunakan manusia melalui proses pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan

bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Proses

lain untuk melepaskan energi dari bahan bakar adalah melalui reaksi eksotermal dan reaksi

nuklir (seperti Fisi nuklir atau Fusi nuklir). Hidrokarbon (termasuk di dalamnya bensin dan

solar) sejauh ini merupakan jenis bahan bakar yang paling sering digunakan manusia. Bahan

bakar lainnya yang bisa dipakai adalah logam radioaktif. (2)

a. Bahan Bakar Organik

Bahan bakar organik yaitu bahan bakar yang terdiri dari sisa tumbuhan, minyak

nabati, minyak hewani, dan bahan bakar fosil contohnya batu bara, minyak bumi dan gas

alam. Bahan bakar organik terdidi dari unsur-unsur C, H, O, N, S, P dan lain-lain dalam

jumlah kecil, sedangkan yang berperan sebagai bahan bakar adalah C, H, S.

b. Bahan Bakar Nuklir

Bahan bakar nuklir adalah bahan bakar yang menghasilkan kalor berasal dari reaksi

berantai penguraian atom-atom melalui peristiwa radioaktif. Misalnya uranium dan

plutonium.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c. Bahan Bakar Berdasarkan Wujud

Bahan bakar padat

Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan kebanyakan menjadi

sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas yang dihasilkan bisa

digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk menggerakkan peralatan dan

menyediakan energi.

Bahan bakar cair

Bahan bakar yang berbentuk cair, paling populer adalah bahan bakar minyak atau BBM.

Selain bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap, bahan bakar cair biasa digunakan

kendaraan bermotor. Karena bahan bakar cair seperti Bensin bisa dibakar dalam karburator

dan menjalankan mesin.

Bahan bakar gas

Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid

Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah

campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk kompor

rumah tangga, sama bahannya dengan Bahan Bakar Gas yang biasa digunakan untuk

sebagian kendaraan bermotor.

2.3.1 Arang Tongkol Jagung

Arang tongkol jagung merupakan bahan bakar padat, yaitu berupa limbah tongkol

jagung yang diproses karbonisasi sehingga menjadi arang, tujuan dari pengarangan sendiri

yaitu meningkatkan nilai karbon dan mengurangu asap saat proses pembakaran dari limbah

tersebut.

1. Proses Karbonisasi

Proses pembakaran dikatakan sempurna jika hasil akhir pembakaran berupa abu

berwarna keputihan dan seluruh energi di dalam bahan organik dibebaskan ke lingkungan.

Namun dalam pengarangan, energi pada bahan akan dibebaskan secara perlahan. Apabilah

proses pembakaran dihentikan secara tiba-tiba ketika bahan masih membara, bahan tersebut

akan menjadi arang yang berwarna kehitaman. Bahan tersebut masih terdapat sisa energi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti memasak, memanggang, dan

mengeringkan. Bahan organik yang sudah menjadi arang tersebut akan mengeluarkan sedikit

asap dibandingkan dibakar langsung menjadi abu.

Lamanya pengarangan ditentukan oleh jumlah atau volume bahan organik,ukuran

parsial bahan, kerapatan bahan, tingkat kekeringan bahan, jumlah oksigen yang masuk, dan

asap yang keluar dari ruang pembakaran. Pada bagan dibawah terlihat bahwa abu yang

merupakan hasil akhir proses pembakaran tidak memiliki energi lagi. Sementara itu, arang

masih memiliki jumlah energi karena belum menjadi abu. Arang itulah yang akan proses

menjadi briket kemudian superkarbon. Secara ringkas proses karbonisasi dapat ditampilkan

dalam bagan berikut ini :

Gambar 2.9 Proses Karbonisasi

Sumber: Oswan Kurniawan dan Marsono, (2008)

2. Metode Karbonisasi

Pelaksanaan karbonisasi meliputi teknik yang paling sederhana hingga yang paling

canggih. Tentu saja metode pengarangan yang dipilih disesuaikan dengan kemampuan dan

kondisi keuangan. Berikut dijelaskan beberapa metode karbonisasi (pengarangan).

a. Pengarangan terbuka

Metode pengarangan terbuka artinya pengarangan tidak di dalam ruangan

sebagaimana mestinya. Risiko kegagalannya lebih besar karena udara langsung kontak

dengan bahan baku. Metode pengarangan ini paling murah dan paling cepat, tetapi bagian

yang menjadi abu juga paling banyak, terutama jika selama proses pengarangan tidak

ditunggu dan dijaga. Selain itu bahan baku harus selalu dibolak-balik agar arang yang

diperoleh seragam dan merata warnanya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b. Pengarangan di dalam drum

Drum bekas aspal atau oli yang masih baik bisa digunakan sebagai tempat proses

pengarangan. Metode pengarangan di dalam drum cukup praktis karena bahan baku tidak

perlu ditunggu terus-menerus sampai menjadi arang

b. Pengarangan di dalam silo

Sistem pengarangan silo dapat diterapkan untuk produksi arang dalam jumlah banyak.

Dinding dalam silo terbuat dari batu bata tahan api. Sementara itu, dinding luarnya disemen

dan dipasang besi beton sedikitnya 4 buah tiang yang jaraknya disesuaikan dengan keliling

silo. Sebaiknya sisi bawah silo diberi pintu yang berfungsi untuk mempermudah pengeluaran

arang yang sudah jadi. Hal yang penting dalam metode ini adalah menyediakan air yang

banyak untuk memadamkan bara.(7)

c. Pembuatan arang tongkol jagung

Pembuatan arang tongkol jagung menggunakan menggunakan reaktor pirolisis,

dimana Reaktor Pirolisis adalah alat pengurai senyawa-senyawa organik yang dilakukan

dengan proses pemanasan tanpa berhubungan langsung dengan udara luar dengan suhu 300-

600 0C. Reaktor pirolisis dibalut dengan selimut dari bata dan tanah untuk menghindari panas

keluar berlebih, memakai bahan bakar kompor minyak tanah atau gas. Proses pirolisis

menghasilkan zat dalam tiga bentuk yaitu padat, gas dan cairan (Buckingham, 2010).

Cara penggunaan alat ini yaitu dengan memasukkan sampel ke dalam reaktor pirolisis

dan ditutup rapat. Reaktor kemudian dipanaskan selama 5 jam. Destilat yang keluar dari

reaktor ditampung dalam dua wadah. Wadah pertama untuk menampung fraksi berat,

sedangkan wadah kedua untuk menampung fraksi ringan. Fraksi ringan ini diperoleh setelah

dilewatkan tungku pendingin yang dilengkapi pipa berbentuk spiral

Gambar 2.10 Arang Tongkol Jagung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Proses Pembakaran

Pembakaran adalah proses konversi energi dari bentuk energi kimia berupa bahan

bakar (padat, cair, gas) bersama oksigen yang berasal dari udara menjadi energi panas

melalui reaksi kimia. Proses pembakaran dapat terjadi apabila ada tiga unsur berikut : sumber

api, bahan bakar yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon, hidrogen, dan udara.

Komposisi udara terdiri dari 29% Oksigen dan 71% Nitrogen.

Secara sederhana reaksi kimia yang terjadi pada proses pembakaran ada tiga proses :

.................................................(2.1)

Pada reaksi ini 2 mol karbon bereaksi dengan 1 mol oksigen dan menghasilkan karbon

monoksida. Apabila terdapat oksigen yang memadai karbon monoksida akan teroksidasi

menjadi karbondioksida dengan melepas energi tambahan :

................................................(2.2)

................................................(2.3)

Dua mol hidrogen bereaksi dengan 1 mol oksigen yang menghasilkan 2 mol H2O

....................................................(2.4)

1 mol sulfur bereaksi dengan 1 mol oksigen menghasilkan 1 mol sulfur dioksida.

Pencampuran bahan bakar, udara, dan pemanasan bahan bakar yang cepat mengakibatkan

senyawa hidrokarbon pecah menjadi senyawa yang lebih ringan dan akhirnya menjadi unsur

dasarnya yaitu karbon dan hidrogen. Unsur hidrogen yang terbakar akan menghasilkan nyala

api yang tak terlihat. Sedangkan unsur karbon yang terbakar menghasilakn nyala api kuning

khas. Pembakaran dikatakan sempurna jika unsur karbon dan hidrogen yang terdapat dalam

bahan bakar terbakar habis menjadi CO2 dan H2O. Apabila tidak terpenuhi maka pembakaran

tak sempurna.

Berdasarkan perbandingan jumlah udara dan bahan bakar, proses pembakaran terbagi

menjadi dua jenis yaitu :

d. Pembakaran oksidasi yaitu pembakaran yang dilakukan dengan kondisi kelebihan udara.

Pembakaran seperti ini menghasilkan nyala api yang pendek dan bersih.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e. Pembakaran reduksi yaitu pembakaran yang dilakukan dengan kondisi kekurangan udara

dan bahan bakar yang terlalu banyak. Pembakaran ini tidak sempurna dan akan

menghasilkan nyala api yang panjang dengan asap yang banyak.

Gambar 2.11 Pembakaran yang sempurna, yang baik dan tidak sempurna

(Biro Efisiensi Energi, 2004)

2.4.1 Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Pembakaran

a. Mixing

Pembakaran sempurna memerlukan proses pencampuran antara bahan bakar yang

digunakan dengan pembakaran udara yang merata. Pencampuran diperlukan untuk membantu

mekanisme pembakaran, yaitu dengan mengantarkan oksigen mencapai permukaan karbon.

b. Udara

Jumlah udara pembakaran sangat menentukan proses pembakaran. Pembakaran yang

sempurna dapat dijamin dengan memberikan udara pada proses tersebut. Udara yang cukup

menjadikan CO dapat beraksi lagi dengan O dan membentuk CO2.

c. Temperature

Pembakaran tidak akan berlangsung atau berhenti apabila temperatur nyala tidak

tercapai atau tidak dipertahankan.

d. Waktu

Waktu yang cukup dalam reaksi pembakaran diantaranya waktu pencampuran dan

pemanasan bahan bakar.

e. Kerapatan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kerapatan yang cukup untuk perhambatan nyala api diperlukan untuk menjaga

kelangsungan pembakaran

2.5 Parameter Pengujian

Parameter pengujian ini dilakukan untuk mengetahui effisiensi tungku yang

dihasilkan oleh tungku, pengujian dilakukan dengan mendidihkan air dengan beban yang

bervariasi. Pengujian ini dilakukan berdasarkan pengujian biomassa pada sekam padi

(Bolenio, 2005) adapun parameter-parameter yang diperlukan adalah sebagai berikut :

a. Massa Tongkol Jagung Yang Masuk/ MTM (Kg)

Massa tongkol jagung yang masuk tempat pembakaran dapat diketahui dengan cara

menimbang terlebih dahulu bahan bakar yang akan dimasukkan ke tempat pembakaran.

b. Massa Campuran Tongkol Jagung/ MTC (Kg)

Setelah tungku berhenti beroperasi, abu hasil pembakaran dan sisa tongkol jagung

yang tidak terbakar dalam tempat pembakaran dikeluarkan kemudian ditimbang. Massa hasil

abu pembakaran dan sisa tongkol jagung yang tidak terbakar disebut massa campuran abu biji

jarak.

c. Waktu Penyalaan (Jam)

Waktu yang digunakan untuk pembakaran awal tongkol jagung.

d. Waktu Operasi (Jam)

Waktu operasi dihitung saat pembakaran tongkol jagung menghasilkan api sampai

operasi tungku berakhir. Operasi tungku berakhir jika pembakaran didalam tempat

pembakaran sudah tidak menghasilkan api.

e. Waktu Operasi Total (Jam)

Merupakan hasil penjumlahan waktu penyalaan dengan waktu operasi.

f. Waktu Untuk Air mendidih (Jam)

Adalah waktu yang digunakan untuk mendidihkan air.

g. Massa Uap Air (Kg)

Didapatkan dari hasil selisih antara volume air sebelum dimasak dengan sisa air

setelah tungku tidak beroperasi lagi.

h. Temperatur Api (0C)

Temperatur api dapat diketahui dengan termokopel.

i. Konsumsi Bahan Bakar Yang Digunakan/ Kbb (kg/Jam)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

...................................(2.5)

j. Massa Tongkol Jagung Yang Terbakar/ MTT (kg)

Massa tongkol jagung yang terbakar adalah massa tongkol jagung yang masuk ke

ruang pembakaran dikurang dengan massa campuran abu tongkol jagung yang belum

terbakar setelah tungku beroperasi. Persamaan untuk menghitungnya adalah sebagai berikut :

..................................(2.6)

k. Energi Panas Yang Masuk / Qi

Energi panas yang masuk adalah jumlah energi panas yang tersedia di bahan bakar,

dapat dihitung dengan persamaan berikut :

.....................................................(2.7)

Dengan :

WFU = massa bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran (kg)

HFV = nilai kalor bahan bakar 4451 (kkal/kg) (1)

l. Sensibel Heat/ SH (kkal)

Sensibel Heat (SH) adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan air,

pengukuran energi ini dilakukan dengan mengambil temperatur air sebelum dan sesudah

mendidih menggubnakan termometer. Dengan persamaan

.........................................(2.8)

Dimana

Mw = Massa air (kg)

Cp = Kalor jenis air (0,9993 kkal/kg 0C)

Tf = Temperatur air mendidih (0C)

Ti = Temperatur air sebelum mendidih (0C)

m. Abu Yang Dihasilkan (%)

Rasio juymlah abu yang dihasilkan dalam proses pembakaran tongkol jagung

berlangsung dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

.......................................(2.9)

n. Kalor Laten/ LH (kkal)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Merupakan jumlah energi panas yang digunakan untuk menguapkan air, dapat dihitug

dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

............................................................(2.10)

Dimana

Mu = Massa uap air (kg)

hfg = Entalpi air (540 kkal/kg)

o. Effisiensi Tungku / ηT (%)

Effisiensi tungku merupakan perbandingan energi yang digunakan untuk mendidihkan

air dan energi panas yang tersedia dalam bahan bakar untuk menguapkan air.

..............................................(2.11)

SH = Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air (kkal)

LH = Kalor laten (kkal)

HVF = Nilai kalor bahan bakar (kkal/kg)

MTT = Massa tongkol jagung yang terbakar (kg)