Energi Biogas, Apa itu Biogas?

Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh bakteri apabila bahan organik mengalami proses fermentasi dalam reactor (biodigester) dalam kondisi anaerob (tanpa udara). Reaktor yang dipergunakan untuk menghasilkan biogas umumnya disebut digester atau biodigester,karena di tempat inilah bakteri tumbuh dengan mencerna bahan-bahan organik.

Untuk menghasilkan biogas dalam jumlah dan kualitas tertentu, maka digester perlu diatur suhu, kelembaban, dan tingkat keasaman supaya bakteri dapat berkembang dengan baik. Biogas sendiri merupakan gabungan dari gas metana (CH4), gas CO2 dan gas lainnya.

Potensi Biogas di Indonesia

Di Indonesia, pemanfaatan biogas masih terbatas pada bahan bakar kompor untuk memasak. Pemanfaatan biogas untuk kebutuhan rumah tangga ini, beberapa penduduk di Indonesia sudah mampu membuat reaktor biogas sendiri dengan skala kecil. Reaktor bioga (biodigester) untuk skala kecil umumnya dibuat dari plastik maupun dari drum.

Bahan baku biogas diperoleh dari kotoran sapi dengan jumlah sapi bervariasi dari 35 ekor untuk skala kecil.Biogas sangat potensial sebagai sumber energi terbarukan karena kandungan methane (CH4) yang tinggi dan nilai kalornya yang cukup tinggi.

Baca Juga : TURBIN AIR

CH4 sendiri mempunyai nilai kalor 50 MJ/kg. Methane (CH4) yang memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat menghasilkan pembakaran yang lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan bakar berantai karbon panjang.

Hal ini disebabkan karena jumlah CO2 yang dihasilkan selama pembakaran bahan bakar berantai karbon pendek adalah lebih sedikit.

Bahan Penghasil Biogas

Biogas dapat diproduksi dari bahan organik dengan bantuan bakteri untuk proses fermentasi anaerobnya. Pada umumnya hampir semua jenis bahan organik dapat diolah menjadi biogas.

Untuk biogas sederhana, bahan organik yang paling banyak digunakan di Indonesia adalah dari kotoran dan urine hewan. Beberapa bahan lain yang digunakan adalah dari kotoran manusia, sampah bio (organik), dan sisa proses pembuatan tahu.

Baca Juga : ENERGI TERBARUKAN PART 1 ( Enеrgі Angіn, Turbin Angin )

Jenis-jenis bahan organik yang diproses termasuk beberapa contoh di atas sangat mempengaruhi kualitas biogas yang dihasilkan. Pemilihan bahan biogas dapat ditentukan dari perbandingan kadar C (karbon) dan N (nitrogen) dalam bahan tersebut. Bahan organik yang umumnya mampu menghasilkan kualitas biogas yang tinggi mempunyai rasio C/N sekitar 20-30.

Perlu ditekankan disini bahwa proses fermentasi dalam biodigester sendiri berlangsung secara alami. Mikroba (bakteri) yang berfungsi untuk menguraikan bahan organik juga dapat terbentuk secara alami asalkan kondisi biodigester terpenuhi untuk tumbuhnya bakteri tersebut. Ciri fisik yang terlihat dari terjadinya proses fermentasi alami adalah terbentuknya gelembung pada permukaan air.

Spesifikasi kotoran sapi dengan bobot total 635 kg

Di Indonesia, jenis kotoran yang umum digunakan untuk menghasilkan biogas adalah kotoran sapi. Tabel disamping menunjukkan spesifikasi kotoran sapi yang dihasilkan dari sapi dengan bobot waktu hidup 635 kg untuk setiap harinya. Besarnya padatan total (TS) umumnya dapat juga diperkirakan sekitar 10-15% dari massa kotoran awal. Sedangkan besarnya padatan volatil dapat diperkirakan sebesar 8-10% dari massa kotoran awal.

Sebagai acuan, untuk setiap ekor sapi umumnya mampu menghasilkan kotoran sebanyak 5-40 kg per hari. Secara nyata, tidak dapat dipastikan berapa kotoran yang dihasilkan oleh hewan untuk setiap harinya karena tergantung pada banyak hal, seperti kondisi hewan, pola makan dari hewan, jenis makanan, jenis kandang, jenis lantai, dan lainnya.

Dari jumlah kotoran yang dihasilkan, yang berperan dalam menghasilkan biogas adalah komponen padatan total (TS). Di dalam padatan total (TS) terdapat padatan volatil (VS).

Komponen dari padatan volatil (VS) secara umum terdiri dari selulosa, hemiselulosa, lignin, kanji, protein, eter, amonia dan asam. Komponen terbesar dari VS adalah selulosa sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.3. Besarnya VS adalah sekitar 83,4% TS.

Dengan mengingat bahwa TS dari kotoran hewan tidak jauh dari 10%, maka dalam biodigester perlu ditambahkan beberapa sisa makanan hewan selain mengandung C/N tinggi juga mempunyai potensi produksi biogas yang tinggi karena mengandung TS yang tinggi.

Komposisi Biogas

Komposisi dan produktivitas sistem biogas dipengaruhi oleh parameter-parameter seperti temperatur digester, ph (tingkat keasaman), tekanan, dan kelembaban udara. Komponen biogas yang paling penting adalah metana (CH4 ). Tabel disamping adalah gambaran komposisi biogas dari Horikawa tahun 2004 dimana biogas tersusun dari 81,1%CH4 .

Baca Juga : ENERGI GEOTHERMAL

Namun demikian, pendapat mengenai komposisi biogas di bawah ini lebih banyak dijadikan acuan oleh beberapa peneliti. Biogas umumnya terdiri dari:

1. Methane, CH4 = 55-75%
2. Carbon dioxide, CO2 = 25-45%
3. Carbon monoxide, CO = 0-0,3%.
4. Nitrogen, N2 = 1-5%.
5. Hydrogen, H2 = 0-3%.
6. Hydrogen sulfide, H2 S = 0,1-0,5%.
7. Oxygen, O2 = sisanya

Teknik Pemanfaatan Biogas

Biogas dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, diantaranya adalah:

1. Sumber bahan bakar gas digunakan untuk kompor rumah tangga, penerangan, pemanas air, dan lainnya.
2. Sumber bahan bakar gas untuk menghasilkan panas yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan misalnya pemanas air, pemanas udara, pengering, dan lainnya.
3. Sumber bahan bakar gas untuk menggerakkan motor bakar, turbin, dan lainnya yang kemudian torsi yang diperoleh dapat digunakan untuk menggerakkan pompa atau mesinmesin yang lain.
4. Torsi dari motor bakar dan turbin berbahan bakar biogas selanjutnya dapat dipergunakan untuk menggerakkan generator dan diperoleh listrik.

Secara teoritis dapat dibuat suatu prediksi umum bahwa (Uli Werner, 1989):

1. Untuk keperluan memasak, 1orang rata-rata per hari membutuhkan biogas sebanyak 0,1 – 0,3 𝑚^3
2. Untuk penerangan (lampu petromaks), rata-rata membutuhkan biogas sebanyak 0,1 – 0,15 m^3 per jam.
3. Untuk pengganti bahan bakar bensin sebanyak 0,7 kg dibutuhkan biogas sebanyak 1 m^3
4. Untuk menggerakkan motor 1 hp selama 2 jam dibutuhkan biogas sebanyak 1 m^3
5. Untuk pembangkit listrik dengan motor bakar dibutuhkan biogas sebanyak 0,6 m^3 per kWh.

Biodigester

Biodigester merupakan komponen utama dalam produksi biogas. Biodigester merupakan tempat dimana material organik diurai oleh bakteri secara anaerob (tanpa udara) menjadi gas CH4 dan CO2 . Biodigester harus dirancang sedemikian rupa sehingga proses fermentasi anaerob dapat berjalan baik.

Pada umumnya, biogas dapat terbentuk pada 4–5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas yang banyak umumnya terjadi pada 20–25 hari dan kemudian produksinya turun jika biodigester tidak diisi kembali.

Biodigester merupakan komponen utama dalam produksi biogas.Biodigester merupakan tempat dimana material organik diurai oleh bakteri secara anaerob (tanpa udara) menjadi gas CH4 dan CO2 .

Biodigester harus dirancang sedemikian rupa sehingga proses fermentasi anaerob dapat berjalan baik. Pada umumnya, biogas dapat terbentuk pada 4–5 hari setelah digester diisi. Produksi biogas yang banyak umumnya terjadi pada 20–25 hari dan kemudian produksinya turun jika biodigester tidak diisi kembali

Berikut adalah beberapa tujuan pembuatan biodigester.

1. Mengurangi jumlah padatan. Karena padatan terurai menjadi gas dan tidak semua padatan dapat terurai, maka tujuan dari proses digestion adalah mengurangi jumlah padatan.
2. Membangkitkan energi. Sebagaimana diketahui, target utama dari proses digestion adalah menghasilkan gas CH4 yang mengandung energi 50 MJ/kg. Semakin besar kandungan CH4 dalam biogas, semakin besar kandungan energi dalam biogas.
3. Menghasilkan air buangan yang bersih. Sebagian air setelah proses digestion harus dikeluarkan. Bersihnya air buangan ini menjadi sangat penting jika akan digunakan untuk irigasi.
4. Mengurangi bau dari kotoran. Biogas dapat ditujukan untuk mengurangi bau dan bukan menghilangkan bau dari kotoran.
5. Menghasilkan padatan yang mengandung bahan gizi untuk pupuk. Padatan yang dihasilkan juga harus dijaga dari zat-zat berbahaya.

Jenis Biodigester

Terdapat beberapa jenis biodigester yang dapat dilihat berdasarkan konstruksi, jenis aliran, dan posisinya terhadap permukaan tanah. Jenis digester yang dipilih dapat didasarkan pada tujuan pembuatan digester tersebut.

Hal yang penting adalah apapun jenis digester yang dipilih nantinya, tujuan utama pembuatan digester adalah mengurangi jumlah kotoran dan menghasilkan biogas yang mempunyai kandungan CH4 tinggi.

Umumnya, kotoran merupakan campuran fasa padat dan cair dengan perbandingan tertentu. Energi dihasilkan dari padatan kotoran tersebut. Pada saat menginginkan hasil biogas yang kontinu maka bahan baku harus mampu mengalir kontinu tanpa bantuan pompa dan biodigester harus didesain supaya tidak terjadi penyumbatan.

Baca Juga : Geothermal Power Plants

Padatan yang dihasilkan setelah proses digestion juga harus dapat dipisahkan Biodigester 15 secara alami tanpa bantuan peralatan dari luar. Padatan yang dihasilkan kemudian dapat dengan mudah dikeluarkan dari digester.

Dari segi konstruksi, digester dibedakan menjadi:

a. Fixed dome (kubah tetap)

Digester jenis ini mempunyai volume tetap. Seiring dengan di hasilkannya biogas, terjadi peningkatan tekanan dalam reaktor (biodigester). Karena itu, dalam konstruksi biodigester jenis kubah tetap, gas yang terbentuk akan segera dialirkan ke pengumpul gas di luar reaktor. Indikator produksi gas dapat dilakukan dengan memasang indikator tekanan.

Kelebihan

1. Sederhana dan dapat di kerjakan dengan mudah
2. Bianya kontruksinya rendah
3. Tidak terdapat bagian yang bergerak
4. Dapat dipilih dari material yang tahan karat
5. umurnya panjang
6. Dapat di buat di dalam tanah

Kekurangan

1. Bagian dalam reaktor tidak terlihat ( khususnya yang dibuat di dalam tanah) sehingga jika terjadi kebocoran tidak segera terdeteksi
2. tekanan gas berfluktuasi dan bahkan sangat tinngi
3. Temperatur di gester rendah

b. Floating Dome (Kubah Apung)

Floating dome (kubah apung). Pada digester tipe ininterdapat bagian reaktor yang dapat bergerak seiring dengan kenaikan tekanan reaktor. Pergerakan bagian kubah dapat di jadikan indikasi bahwa produksi biogas sudah dimulai atau sudah terjadi. Bagian yang bergerak tadi juga berfungsi sebagai pengumpul biogas.

Dengan model ini, kelemahan tekanan gas yang berfluktuasi pada reaktor biodigester jenis kubah tetap dapat diatasi sehingga tekanan biogas dapat dijaga konstan. Kelemahannya adalah membutuhkan ketrampilan khusus untuk membuat tampungan gas yang dapat bergerak. Kelemahan lainnya dari biodigester jenis ini adalah material dari tampungan biogas yang dapat bergerak juga harus dipilih dari material yang tahan korosi dan otomatis harganya lebih mahal.

Dari segi aliran bahan baku untuk reaktor biogas, biodigester dibedakan menjadi :

a. Bak (batch)

Pada biodigester jenis bak, bahan baku ditempatkan di dalam suatu wadah (bak) dari sejak awal hingga selesainya proses digestion. Biodigester jenis ini umumnya digunakan pada tahap eksperimen untuk mengetahui potensi gas dari limbah organik atau digunanakan pada kapasitas biogas yang kecil.

b. Mengalir (continuous)

Untuk biodigester jenis mengalir, aliran bahan baku dimasukkan dan residu dikeluarkan pada selang waktu tertentu. Lamanya bahan baku berada dalam reaktor digester disebut retention time (RT)

Dilihat dari segi tata letak penempatan, biodigester dibedakan menjadi:

a. Seluruh biodigester di atas permukaan tanah.

Biasanya biodigester jenis ini dibuat dari tong-tong bekas minyak tanah atau aspal. Kelemahan tipe ini adalah volume yang

kecil, sehingga biogas yang dihasilkan hanya mampu digunakan untuk kebutuhan sebuah rumah tangga (keluarga). Kelemahan lain adalah kemampuan material yang rendah untuk menahan korosi sehingga tidak tahan lama. Untuk pembuatan skala besar, biodigester jenis ini jelas memerlukan luas lahan yang besar juga.

b. Sebagian tangki biodigester diletakkan di bawah permukaan tanah.

Biasanya biodigester ini terbuat dari campuran semen, pasir, kerikil, dan kapur yang dibentuk seperti sumur dan ditutup dari plat baja atau konstruksi semen. Volume tangki dapat dibuat untuk skala besar ataupun skala kecil sehingga dapat disesuaikan dengan kebutuhan.

Kelemahan pada sistem ini adalah jika ditempatkan pada daerah yang memiliki suhu rendah (dingin), suhu dingin yang diterima oleh plat baja merambat ke dalam bahan baku biogas, sehingga menghambat proses bekerjanya bakteri.

c. Seluruh tangki biodigester di letakkan di bawah permukaan tanah. 

Model ini merupakan model yang paling popular di Indonesia, dimana seluruh instalasi biodigester dibuat di dalam tanah dengan konstruksi yang permanen.

Selain dapat menghemat tempat atau lahan, pembuatan biodigester di dalam tanah juga berguna untuk mempertahankan temperatur biodigester stabil dan mendukung pertumbuhan bakteri methanogen.

Kekurangannya adalah jika terjadi kebocoran gas dapat menyulitkan untuk memperbaikinya.

Komponen Biodigester

Komponen yang digunakan untuk membuat biodigesterntergantung pada jenis biodigester yang digunakan dan tujuan pembangunan biodigester. Tetapi, secara umum biodigester terdiri dari empat komponen utama sebagai berikut:

1. Saluran masuk slurry (kotoran segar)

Saluran ini digunakan untuk Biodigester 19 memasukkan slurry (campuran kotoran ternak dan air) ke dalam reaktor utama. Tujuan pencampuran adalah untuk memaksimalkan produksi biogas, memudahkan mengalirnya bahan baku, dan menghindari terbentuknya endapan pada saluran masuk.

2. Ruang digestion (ruang fermentasi).

Ruangan digestion berfungsi sebagai tempat terjadinya proses digestion dan dibuat kedap terhadap udara. Ruangan ini dapat juga dilengkapi dengan penampung biogas.

3. Saluran keluar residu (sludge)

Fungsi saluran ini adalah untuk mengeluarkan kotoran (sludge) yang telah mengalami proses digestion oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip kesetimbangan tekanan hidrostatik. Residu yang keluar pertama kali merupakan slurry (lumpur) masukan yang pertama setelah waktu retensi. Slurry yang keluar sangat baik untuk pupuk karena mengandung kadar nutrisi yang tinggi.

4. Tangki penyimpan biogas

Tujuan dari tangki penyimpan gas adalah untuk menyimpan biogas yang dihasilkan dari proses digestion. Jenis tangki penyimpan biogas ada dua, yaitu tangki bersatu dengan unit reaktor (fixed dome) dan terpisah dengan reaktor (floating dome). Untuk tangki terpisah, konstruksi dibuat khusus sehingga tidak bocor dan tekanan yang terdapat dalam tangki seragam.

Baca Juga : GAYA HIDROSTATIK

Perancangan Biodigister

Ukuran dari biodigester tergantung dari kuantitas, kualitas bahan organik, jenis bahan organik yang ada dan temperatur proses fermentasi. Ukuran biodigester dapat dinyatakan dengan volume digester (Vd ). Secara umum Vd dapat diperhitungkan dari:

Vd = Sd x RT

Dimana :

Sd adalah jumlah masukan bahan baku setiap hari [m3 /hari].

RT adalah retention time (waktu bahan baku berada dalam  digester) [hari].

Pemasukan bahan baku tergantung seberapa banyak air harus dimasukkan kedalam biodigester sehingga kadar bahan baku padatnya sekitar 4-8%.

Umumnya, pencampuran kotoran dari air dibuat dengan perbandingan antara 1:3 dan 2:1, untuk kotoran sapi umumnya dicampur dengan air pada perbandingan 1:1 sampai 1:2.

Setelah ukuran dari biodigester ditentukan, maka langkah selanjutnya adalah merancang gas penampung. Volume dari penampung gas dinyatakan dengan Vg . Dalam perancangan ukuran penampung gas (Vg ) harus diperhatikan laju konsumsi gas puncak (Vg1) dan laju konsumsi nol untuk jangka waktu yang lama (Vg2).

Dimana

G adalah produksi biogas (m3/jam)

Tz,max = waktu maksimum pada saat konsumsi biogas nol (jam)

Besarnya G (produksi biogas per jam, m^3/jam) dihitung dari produksi biogas spesifik (Gy ) dari bahan baku dan pemasukan bahan baku harian (Sd ).

Untuk keselamatan, ukuran dari penampung gas (Vg ) dibuat 10-20 % lebih besar dari hasil perhitungan di atas. Secara umum, perancangan volume biodigester dengan volume penampung biogas dapat dibuat dengan perbandingan 3:1 sampai 10:1 dengan 5:1 sampai 6:1 adalah yang paling umum digunakan

Contoh Perancangan Biodigester

Diketahui tiga keluarga mempunyai 6 ekor sapi. Jika semua kotorannsapi tersebut akan dibuat biogas, maka perkirakan:

a. Ukuran dari digester

Jawab:

Diasumsikan bahwa lantai untuk ternak sapi tersebut berbeton dan sebagian pakan akan bercampur dengan kotoran berikut urinenya. Berikut langkah-langkah perhitungan:

Diasumsikan setiap ekor sapi diperkirakan menghasilkan 22-32 kg kotoran per hari. Misalkan untuk perhitungan logis diambil setiap ekor sapi menghasilkan 25 kg kotoran per hari.

Untuk RT = 60 hari, diperkirakan produksi biogas adalah 0,45-0,63 m^3 /hari (lihat Tabel 1)

Misalkan untuk perhitungan logis diperkirakan untuk RT = 60,

besarnya produksi biogas adalah 0,5 m^3 /hari. Sehingga besarnya Gy dapat dihitung:

Untuk total 6 ekor sapi diperoleh kotoran = 150 kg kotoran per hari. Jumlah kotoran ini yang akan dimasukkan ke dalam digester.

Selain kotoran, ke dalam digester ditambahkan air sebanyak 150L atau setara dengan 150 kg  Jumlah total kotoran + air adalah Sd = 300 kg/hari.

Sehingga volume digester yang dibutuhkan untuk RT = 60 adalah:

Perkirakan massa jenis campuran kotoran sapi dan air sebesar 1100

kg/m3, sehingga diperoleh:

Ukuran dari biodigester adalah 16,4 m^3

Baca juga :

Go to Link

Mau donasi lewat mana?

Bank Transfer Donate with Paypal

BANK BNI - An.mechanical engineering / Rek - 2345xxx
Gopay-

Traktir creator minum kopi dengan cara memberi sedikit donasi. klik icon panah di atas