PEMILIHAN MESIN PENGGERAK GENERATOR PADA SISTEM
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BIOGAS (PLTBG)
Awaludin*, Wahyu Panuntun*, Wiji Setia Alam*, Nazaruddin Sinaga**
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNDIP
Jl. Prof. Soedarto, SH, Kampus Tembalang, Semarang, 50239
Abstrak
PLTBG adalah instalasi pembangkit listrik dengan pemanfaatan biogas sebagai bahan bakar yang dapat diperbaharui. Kotoran sapi sebagai media penghasil biogas dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar PLTBG sehingga mengurangi pencemaran lingkungan dan efek rumah kaca. Jawa Tengah dengan kapasitas peternakan yang besar mempunyai potensi yang cukup
baik untuk pembangunan PLTBG. PLTBG dapat dibangkitkan dengan penggunaan motor bakar berbahan bakar biogas tetapi mesin berbahan bakar biogas di Indonesia belum ada. Mesin diesel dan bensin secara teknis dapat digunakan sebagai penggerak generator PLTBG
tetapi efisiensinya yang dihasilkan rendah sehingga perlu dilakukan modifikasi.Pemilihan mesin dalam penulisan ini untuk menghasilkan efisiensi maksimal dari mesin dengan memodifikasi mesin berbahan bakar diesel dan bensin. Berdasarkan hasil analisa mesin diesel dan bensin memerlukan penambahan conversion kit dan mixer. Conversion kit berfungsi mengatur debit bahan bakar supaya mengalir konstan dan penambahan mixer bertujuan untuk pencampur biogas dengan udara. Mesin diesel yang dimodifikasi ini menggunakan system dualfuel engine dimana bahan bakar solar digunakan bersama-sama dengan biogas, dengan komposisi sekitar 20 % solar dan 80% biogas. Mesin bensin dapat menggunakan 100% biogas untuk bahan bakar.
Kata kunci : biogas; dual fuel; listrik; PLTBG
Pendahuluan
Peternakan sapi dari tahun ke tahun semakin besar jumlahnya, penambahan jumlah tersebut menyebabkan tingkat pencemaran lingkungan yang tinggi antara lain menyebabkan bau tidak sedap yang mengganggu kenyamanan lingkungan sekitar, endemik bibit penyakit, dan air resapan tanah dan sungai menjadi beracun dan bau. Dalam kotoran sapi terkandung gas metana (CH4) apabila dibuang secara bebas ke atmosfir akan menyebabkan efek rumah kaca, proses ini berakibat suhu bumi menjadi tinggi, ini adalah yang disebut dengan pemanasan global (global warning), yang secara langsung meningkatkan intensitas frekuensi angin topan, merubah komposisi hutan , mengurangi produksi pertanian, menghancurkan biota laut sehingga ikan mengalami kekurangan makanan dan ekosistem laut menjadi hancur.
Alasan diatas dapat dijadikan bahan pertimbangan bahwa kotoran sapi lebih baik dimanfaatkan daripada dibiarkan menumpuk. Beberapa cara pemanfaatan kotoran sapi antara lain dengan mengolah kotoran sapi menjadi pupuk organik maupun biogas, yaitu suatu energi yang dihasilkan dari proses biodegradasi dengan bantuan bakteri dalam kondisi anaerob pada material organik (kotoran sapi). Keuntungan yang didapat dari proses pemanfaatan kotoran sapi bagi pemilik peternakan sapi adalah menambah penghasilan dari penjualan pupuk organik dan menghemat pengeluaran biaya penggunaan listrik. Sebenarnya pemanfaatan kotoran sapi dapat memberikan nilai ekonomis yang lebih tinggi jika dilakukan dengan cara membangun pembangkit listrik tenaga biogas (PLTBG).
Sebagai contoh Jawa Tengah memiliki potensi yang sangat besar untuk mengembangkan PLTBG karena memiliki peternakan yang besar. Data pada tahun 2002, sapi potong sebesar 13344495 ekor dan sapi perah sebesar 119026 ekor. PLTBG dapat dibangkitkan dengan penggunaan mesin diesel atau bensin, ini merupakan cara untuk mengatasi tidak adanya mesin berbahan bakar biogas di Indonesia dan apabila mendatangkan dari luar negeri biaya pembangunan instalasi PLTBG menjadi besar. Permasalahan yang muncul dengan penggunaan mesin diesel dan bensin dengan bahan bakar biogas adalah efisiensi yang dihasilkan rendah dan cara untuk mengatasi masalah ini dengan cara memodifikasi mesin diesel atau bensin dan dilakukan pemilihan mesin yang sesuai dengan daya yang dapat dibangkitkan oleh penghasil gas (digester) yang dimiliki oleh peternakan.
Kaji Teoritik Sistem Konversi Energi
Sistem instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBG) dapat dibuat skema sebagai berikut:
Gambar 1.
Bagan sistem instalasi pembangkit listrik dari biogas kotoran sapi.
Perubahan biogas menjadi energi listrik dilakukan dengan memasukkan gas dalam tabung
penampungan kemudian masuk ke conversion kit yang berfungsi menurunkan tekanan gas dari tabung sesuai dengan tekanan operasional mesin dan mengatur debit gas yang bercampur dengan udara didalam mixer, dari mixer bahan bakar bersama dengan udara masuk kedalam mesin dan terjadilah pembakaran yang akan menghasilkan daya untuk menggerakkan generator yang menghasilkan energi listrik. Karakterisrik pembakaran yang terjadi pada mesin diesel berbeda dengan pembakaran pada mesin bensin.
Karakteristik pembakaran biogas didalam mesin diesel
Bahan bakar biogas membutuhkan rasio kompresi yang tinggi untuk proses pembakaran sebab biogas mempunyai titik nyala yang tinggi 645 0C – 750 0C dibandingkan titik nyala solar 220 0C, maka mesin diesel umumnya digunakan secara dualfuel dengan rasio kompresi sekitar 15 – 18. Proses pembakaran pada mesin dualfuel, bahan bakar biogas dan udara masuk ke ruang bakar pada saat langkah hisap dan kemudian dikompresikan didalam silinder seperti halnya udara dalam mesin diesel biasa. Bahan bakar solar dimasukkan lewat nosel pada saat mendekati akhir langkah kompresi, dekat titik mati atas (TMA) sehingga terjadi pembakaran.
Temperatur awal kompresi tidak boleh lebih dari 80 0C karena akan menyebabkan terjadinya knocking dan peristiwa knocking yang terjadi pada mesin dualfuel hampir sama dengan yang terjadi pada mesin bensin, yaitu terjadinya pembakaran yang lebih awal akibat tekanan yang tinggi dari mesin diesel. Hal ini disebabkan karena bahan bakar biogas masuk bersama-sama dengan udara ke ruang bakar, sehingga yang dikompresikan tidak hanya udara tapi juga biogas.
Gambar 2.
Grafik performance pada mesin
a) a sfc biogas dalam dualfuel, b sfc solar dalam mesin diesel, c sfc solar dalam dualfuel
b) a mesin diesel dengan solar yang diritkan, b efisiensi mesin diesel, c efisiensi dualfuel
Karakteristik pembakaran biogas didalam mesin bensin
Mesin bensin dengan rasio kompresi yang hanya berkisar antara 6 – 9,5 tidak cukup untuk melakukanpembakaran biogas karena titik nyala biogas yang tinggi 645 0C - 750 0C, untuk itu dilakukan penambahan rasio kompresi mesin menjadi 10 – 12. Proses pembakaran biogas sama seperti pada mesin bensin normal, yaitu biogas dan udara masuk ke ruang bakar dan pada akhir langkah kompresi terjadi pembakaran, pembakaran ini terjadi karena bantuan loncatan bunga api dari busi.
Gambar 3.
Diagram performance mesin bensin dengan bahan bakar bensin ( ____ ) dan biogas ( __.__ )
1) daya, 2) torsi, 3) konsumsi bahan bakar spesifik
Daya listrik yang dapat dihasilkan dari PLTBG
Tabel 1. Daya listrik yang dapat dihasilkan dari peternakan sedang dan besar
Pemilihan Mesin Penggerak
Berdasarkan hasil survey lapangan bahwa mesin yang dapat digunakan untuk mesin penggerak generator PLTBG adalah mesin diesel dan bensin. Di pasaran untuk mesin bensin harganya jauh lebih mahal dari mesin diesel dengan daya yang sama dan untuk daya yang besar hanya mesin diesel yang dapat digunakan sebab tidak adanya mesin bensin dengan daya besar di pasaran. Penggunaan kedua jenis mesin tersebut dalam kenyataannya menghasilkan efisiensi yang rendah sehingga perlu adanya modifikasi.
Modifikasi yang perlu dilakukan untuk mengubah mesin diesel menjadi mesin berbahan bakar biogas adalah dengan cara menambahkan conversion kit dan mixer. Fungsi conversion kit adalah untuk mengatur debit dan menurunkan tekanan aliran bahan bakar sesuai dengan tekanan operasional yang diinginkan sedangkan mixer berfungsi sebagai pencampur bahan bakar dengan udara. Pemasangan mixer terletak pada saluran masuk udara dan conversion kit terpasang antara mixer dan tabung gas (Gas holder). Sistem modifikasi ini menggunakan sistem dualfuel yaitu mesin menggunakan dua bahan bakar yang dilakukan secara bersamaan dengan komposisi 20% solar dan 80% biogas . Hal ini dilakukan karena titik nyala pembakaran biogas sangat tinggi yaitu sekitar 645°C-750°C.
Gambar 4
Skema pemasangan mixer dan conversion kit pada mesin diesel
Modifikasi mesin bensin hampir sama dengan mesin diesel yaitu dengan cara menambah Conversion kit dan mixer. Perbedaannya adalah pada mesin bensin bahan bakar biogas dapat digunakan 100%, hal ini dikarenakan adanya busi sehingga bahan bakar biogas akan cepat terbakar. Pemasangan mixer terletak antara saringan udara dan karburator, sedangkan Conversion kit terpasang antara mixer dan tabung gas (gas holder). Perkiraan biaya untuk pembelian Conversion kit dan mixer yaitu sekitar Rp. 4.800.000,00 untuk kondisi alat baru.
Perhitungan ekonomi
Perhitungan ekonomi penggunaan Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBG) untuk peternakan sedang dan besar dengan pemakaian mesin diesel dan bensin , dan dibandingkan dengan keuntungan listrik yang dihasilkan yang disesuaikan dengan tarif dasar listrik PLN.
Tabel 2. Perkiraan biaya investasi PLTBG pada peternakan sedang dan besar
Tabel 3. Perkiraan biaya operasi PLTBG pada peternakan sedang dan besar
Biaya investasi dari mesin diesel lebih kecil dari pada mesin bensin, sehingga mesin diesel lebih menguntungkan dari segi ekonomi. Di lain sisi dari aspek perawatan mesin diesel dan mesin bensin dapat dikatakan sebanding dan membutuhkan biaya yang relatif sama. Dilihat dari aspek operasi mesin diesel lebih mudah, mempunyai umur operasi yang lama dan menggunakan sedikit bahan bakar untuk penyediaan daya yang sama dibandingkan dengan mesin bensin. Hal ini dapat dijadikan alasan bahwa mesin diesel lebih menguntungkan sebagai mesin penggerak pada PLTBG.
Keuntungan dari membangkitkan listrik dari PLTBG adalah energi listrik yang dapat hasilkan dikalikan dengan harga listrik yang harus dibayar pemakai jika menggunakan listrik dari PLN. Harga listrik
Rp. 545/kWh dan biaya beban Rp. 30.000,00/kVA. Nilai rupiah yang dapat dihasilkan dari membangkitkan listrik dari biogas pada peternakan sedang dengan daya 3 kW (4 kVA) dalam satu tahun dengan penggunaan tiap hari 24 jam adalah Rp. 15.762.600,00.
Analisa ekonomi pembangkit listrik tenaga biogas dengan mesin penggerak dari mesin diesel untuk peternakan skala sedang, jika bunga investasi untuk kredit dari bank 19 % adalah :
Total investasi = Rp. 7.300.000,00 + Rp. 7.300.000,00 x 19%
= Rp. 8.687.000,00
Umur teknis ekonomis 10 Tahun
Depresiasi = Rp. 8.687.000,00 / 10
= Rp. 868.700,00
Cash flow = Keuntungan + Depresiasi- biaya operasional
= Rp. 15.762.600,00 +Rp. 868.700,00 – Rp. 10.316.000,00
= Rp. 6.220.400,00
IRR(Initial Rate of Return) = 72 %
NPV (Net Present Value) = Rp. 15.726.618,00
BCR (Benefit Cost Ratio ) = 1,45
PB ( Pay back) = 1 tahun 5 bulan
Nilai rupiah yang dapat dihasilkan, sesuai harga listrik dari PLN, dari membangkitkan listrik dengan biogas pada peternakan besar dengan daya 15 kW (19 kVA) dalam satu tahun dengan penggunaan tiap hari 24 jam adalah Rp. 78.453.000,00. Jika bunga investasi untuk kredit dari bank 19 % maka analisa pembangkit listrik tenaga biogas untuk peternakan skala besar adalah
Total investasi = Rp. 56.300.000,00 + Rp. 56.300.000,00 x 19%
= Rp. 66.997.000,00
Umur teknis ekonomis 10 Tahun
Depresiasi = Rp. 66.997.000,00 / 10
= Rp. 6.699.700,00
Cash flow = Keuntungan + Depresiasi- biaya operasional
= Rp. 78.453.000,00 + Rp. 6.699.700,00 – Rp. 22.883.600,00
= Rp. 61.537.200,00
IRR(Initial Rate of Return) = 93 %
NPV (Net Present Value) = Rp. 170.743.335,00
BCR (Benefit Cost Ratio ) = 2,87
PB ( Pay back) = 1 tahun 1 bulan
Diskusi
Berdasarkan hasil perhitungan diatas dapat diambil kesimpulan untuk skala peternakan sedang dan besar lebih baik menggunakan mesin diesel, disamping ekonomis aspek operasi mesin diesel lebih mudah dibandingkan dengan mesin bensin. Umur operasi mesin diesel mempunyai jangka waktu yang lama.
Kendala yang dihadapi untuk pembangunan PLTBG adalah modal awal yang besar, kurangnya
penguasaan ilmu tentang pembangunan PLTBG, adanya keraguaan dari pemilik peternakan tentang berhasil tidaknya PLTBG, kurangnya perhatian pemerintah tentang penelitian PLTBG dan kurangnya pemberian bantuan dana bagi pemilik peternakan. Saran untuk mengatasi kendala diatas adalah peminjaman modal ke bank atau pemberian kredit lunak oleh pemerintah kepada pemilik peternakan, perlunya mempelajari lebih dalam modifikasi yang perlu dilakukan pada mesin untuk PLTBG, pemberian kucuran dana untuk penelitian dari pemerintah, perlunya adanya penyuluhan terhadap peternak sapi sehingga tidak adanya keraguan lagi dari para peternak untuk pembangunan PLTBG.
Kesimpulan
1. Pemilihan mesin harus berdasarkan daya yang dapat dihasilkan oleh digester, harga mesin, biaya modifikasi dan aspek operasi dan pemeliharaan.
2. Mesin penggerak generator pada PLTBG untuk skala peternakan sedang dan besar lebih baik dengan penggunaan mesin diesel karena dari aspek ekonomis , operasi dan pemeliharaan lebih baik disbanding dengan mesin bensin.
Saran
1. Perlu adanya kerjasama antara pemerintah maupun pihak swasta dengan peternakan sapi untuk pembangunan PLTBG.
2. Perlu adanya penelitian lebih lanjut tentang penggunaan dan pemodifikasian mesin diesel dan bensin dengan bahan bakar biogas untuk mendapatkan efisiensi mesin yang lebih baik.
Daftar Pustaka
Barker, James, C., (2001), “Methane Fuel Gas from Livestock Wastes A Summary”, North Carolina Cooperative Extension Service, hal. 1-8.
Ferguson, Colin, R., (1986), “Internal Combustion Engine Applied Thermosciences”, John Wiley & Sons, New York, hal 209-220.
Mallev, V.L.,(1991), “Operasi dan Pemeliharaan Mesin Diesel”, Erlangga, Jakarta.
Mathur, M.L. dan Sharma, R.P., (1980), “A Cource in Internal Combustion Engines”, Dhanpat Rai & Sons, Nai Sarak Delhi, hal 589-614.
Mitzlaff, Klaus Von, (1988), “Engines for Biogas”, Deutsche Gesell schoft fur Technische Zusammenarbeit (GTZ), Eschborn, hal 1-133.
Obert, Edward, F., (1973), “Internal Combustion Engine and Air Pollution”, Harper & Row Publishers. Inc, New York.
Petrovsky, N., (1979), “ Marine Internal Combustion Engine”, Mir Publishers, Moskow, hal 27-52.
PLN, (2003), “ Tarif Dasar Listrik 2003”, PLN.
Rocque, A.J.,(1995), “Connecticut’s Greenhouse Gas Emissions Inventory 1990 and 1995 Calendar Years”,
State of Connecticut Department of Environmental Protection, Hartford, hal vi.
Troitsky, A. dan Samdkhvalov, M., (1979), “ Motor Vehicle Engines”, Mir Publishers, Moskow, hal 393-398.
