Teks tersebut membahas tentang teori dasar pemanfaatan biomassa khususnya energi biomassa sawit untuk pembangkit listrik tenaga biomassa sawit (PLTBS). Pembahasan mencakup potensi besar energi biomassa di Indonesia terutama dari limbah kelapa sawit seperti tandan kosong, serta komponen utama PLTBS seperti boiler, turbin, dan generator listrik.

1. 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

2. 2.2.
Energi Biomassa
Salah satu energi terbarukan adalah bio masa. Biomasa adalah
ist ilah untuk semua bahan yang dihasilkan oleh fotosintesis yang ada d i
permukaan bumi, dimana sumber dari segala energi dalam bio masa adalah
matahari. Bio masa 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
Potensi
e ne r g i
b io m a s a
di
I ndo nesia
s a ng a t
besar .
Limbahbio massa yang dapat digunakan untuk menghasilkan energ i
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

3. G a m b a r 2 . 1 . P e t a s e b a r a n b io m a s s a d i I nd o ne s i a ( s u m b e r : Z R E U
2 0 0 0 , B io m a s a i n I nd o ne s i a - B u s s i n e s s G u i d e ) .
Tabel 2.2. Potensi limbah biomasa sebagai sumber energi di Indonesia
Universitas Sumatera Utara

4. (Sumber: ZREU, CG I 2000)
Beberapa
t e k no lo g i
ko nversi
ya n g
d ila kuk a n
u nt u k
m e n g u b a h b i o m a s a m e n j a d i e n e r g i l a i n a nt a r a l a i n [ 1 1 ] :
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

5. 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
2.2.2.
2H2O + panas
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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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 :
WP = ṁ(h2-h1) = v(P2-P1)
1.
Pompa (Q = 0)
(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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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