ISSN  0216-7492

## ANALISA PEMAKAIAN BAHAN BAKAR AMPAS TEBU DAN TEMPURUNG KELAPA DENGAN MENGUJI VARIASI RASIO YANG PALING EFISIEN TERHADAP KETEL UAP SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF
Christiany N. S. 1 , Tekad Sitepu 2 , Farel H. Napitupulu 3 , Mahadi 4 , Taufiq B. N. 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jalan Almamater kampus USU Medan 20155 Email : christianysinaga@ymail.com
Abstrak
Bahan  bakar  merupakan  segala  sesuatu  yang  dapat  dibakar  dan  menghasilkan  panas.  Bahan bakar yang terdapat di alam dapat berupa padat, cair, dan gas. Ketel uap sangat berhubungan erat  dengan  bahan  bakar  yang  digunakannya.  Berdasarkan  pengalaman  dari  penelitian  yang telah  dilakukan  sebelumnya,  bahan  bakar  biomassa  dari  limbah  tanaman  dapat  dijadikan sebagai  bahan  bakar  alternative  yang  ketersediannya  dapat  terus  dijaga  dan  menghasilkan nilai kalor yang tidak kalah tinggi serta biaya yang cukup terjangkau. Salah satu pabrik yang mengaplikasikannya  adalah  Pabrik  Gula  Sei  Semayang  yang  menggunakan  ampas  tebu  dan fiber (cangkang dan serabut sawit) sebagai bahan bakarnya dan menghasilkan efisiensi sebesar 66%.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  mendapatkan  nilai  efisiensi  tertinggi  dan  terendah  serta mendapatkan  variasi  rasio  yang  paling  efisien  digunakan.  Penulis  melakukan  pengujian  dan menganalisa  campuran  ampas  tebu  (AT)  terhadap  tempurung  kelapa  (TK)  dengan  berbagai variasi  rasio  menggunakan  cara  metode  tidak  langsung,  yakni  90%  AT  :  10%  TK,  80%  AT  : 20% TK, 70% AT : 30% TK, 60% AT : 40% TK, dan  50% AT : 50% TK. Dari hasil pengujian, direkomendasikan    rasio  bahan  bakar    yang  paling  efisien  digunakan  pada  ketel  uap  merk Yoshieme  Japan,  dengan  suhu  uap  325°C,  kapasitas  uap  60  T/jam,  dan  tekanan  29  kg/cm 2 adalah  90% AT : 10% TK dengan efisiensi sebesar 78,75%.
Kata kunci : ketel uap, biomassa, rasio bahan bakar, Efisien

## 1. PENDAHULUAN
Ketel uap adalah pesawat untuk memproduksi uap pada suatu jumlah tertentu pada setiap  jamnya  dengan  suatu  tekanan  dan  suhu  yang  telah  ditentukan [1] . Proses pendidihan  memerlukan  energi  panas  yang  diperoleh  dari  sumber  panas  misalnya  dari pembakaran  bahan  bakar  berupa  bahan  bakar  padat,  cair  dan  gas.  Sumber  energi  tak terbarukan  khususnya  fosil  (minyak  dan  gas)  mempunyai  peran  penting  dalam kehidupan  manusia  sehari-hari.  Salah  satu  energi  terbarukan  yang  perlu  mendapatkan perhatian  untuk  dikembangkan  adalah  energy  biomassa.  Energi  biomassa  adalah  jenis bahan  bakar  yang  dibuat  dengan  mengkonversi  bahan  biologis  seperti  tanaman.  Dari berbagai  macam  tanaman,  ada  beberapa  tanaman  yang  memilki  kandungan  biomassa tersebut,  antara  lain  seperti  tanaman  sawit,  jagung,  kelapa,  jerami,  tebu,  dan  masih banyak lagi. Pada penulisan skripsi ini, tanaman yang akan diuji adalah tebu dan kelapa. Penggunaan  energi  biomassa  diperoleh  dari  limbah  tanaman  itu  sendiri.  Limbah  yang akan  diuji  berupa  ampas  tebu  dan  tempurung  kelapa.  Adapun  yang  menjadi  alasan penulis  mengangkat  judul  ini  karena  semakin  sulitnya  mendapatkan  bahan  bakar  fosil yang  semakin  hari  semakin  kecil  kesempatan  untuk  mendapatkannya,  dibandingkan dengan bahan ampas tebu dan tempurung kelapa yang bisa terus menerus dihasilkan dan mudah  mendapatkannya  dengan  harga  yang  terjangkau/murah.  Salah  satu  perusahaan yang menggunakan ketel uap sebagai pembangkitnya adalah Pabrik Gula Sei Semayang di  KM  12,5  Serdang  Bedagai..  Pabrik  ini  menggunakan  bahan  bakar  berupa  Ampas Tebu  dan  dicampur  dengan  beberapa  bahan  bakar  padat  lainnya  yaitu  cangkang  dan
ISSN  0216-7492
serabut  kelapa sawit  ditambah dengan minyak residu.  Melihat  potensi yang  dikandung oleh  kedua  bahan  bakar  di  atas,  maka  penulis  termotivasi  untuk  melakukan  analisa perbandingan  variasi  rasio  bahan  bakar  alternatif  tersebut  sebagai  sumber  energi alternative terhadap  ketel uap [2]

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Boiler/ketel uap merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air  sampai  terbentuk  air  panas  atau steam berupa  energi  kerja.  Energi  kalor  yang dibangkitkan  dalam  sistem  boiler  memiliki  nilai  tekanan,  temperatur,  dan  laju  aliran yang  menentukan  pemanfaatan steam yang  akan  digunakan.  Sistem  boiler  terdiri  dari sistem  air  umpan,  sistem steam ,  dan  sistem  bahan  bakar.  Pada  bagian  ini,  yang  akan dibahas lebih lanjut adalah sistem bahan bakar. Bahan bakar (fuel) adalah segala bahan yang  dapat  dibakar.  Berbagai  jenis  bahan  bakar  (seperti  bahan  bakar  cair,  padat,  dan gas)  yang  tersedia  tergantung  pada  berbagai  faktor  seperti  biaya,  ketersediaan, penyimpanan, handling ,  dan  lain-lain.  Pada  penulisan  ini,  metode  perhitungan  yang digunakan adalah metode tidak langsung yaitu memperhitungkan kehilangan-kehilangan panas  yang  terjadi  saat  dilakukannya  pembakaran.  Berikut  ini  adalah  rumus  yang digunakan :
➢ Tahap 1. Menghitung kebutuhan udara teoritis : Ut = (11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/
100 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟
➢ Tahap 2. Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok
EA = %O 2 ×100 21−%O 2
➢ Tahap 3. Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasok/kg bahan bakar
ASS = 1  +   ( EA 100 ) x udara teoritis
➢ Tahap 4. Memperkirakan seluruh kehilangan panas :
(1) Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang yang kering :
L1 = m × c pfg × (T fg −T a )
GCV fuel
x 100
(2) Persentase kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H 2 dalam bahan bakar :
L2 = 9 x H2 {584+Cpss (Tfg−Ta)}
GCV fuel
(3) Persentase kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar :
L3 = M {584+Cpss (Tfg−Ta)}
GCV fuel
(4) Persentase kehilangan panas karena kadar air dalam udara :
L4 = AAS x kelembapan udara x Cpss (Tfg−Ta)x 100

## GCV fuel
(5) Persentase kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash :
L5 = Total abu terkumpul per kg b.bakar yg terbakar x GCV ba
GCV fuel
(6) Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung :
Persentase karena kehilangan panas karena radiasi dan konveksi serta kehilangan lain yang tidak terhitung.
Pada umumnya kehilangan panas akibat radiasi dan konveksi lebih rendah untuk boiler  yang  lebih  besar  dan  lebih  tinggi  untuk  boiler  yang  lebih  kecil.  Nilai kerugian radiasi dan konveksi biasanya ditentukan dari grafik standar American Boiler Manufactures Association (ABMA) seperti gambar di bawah ini :
Gambar 1. Grafik yang menunjukkan kehilangan radiasi dan konveksi sesuai dengan laju aliran massa uap yang dihasilkan boiler [3] .
Kapasitas  uap  boiler  yang  dimiliki  adalah  sebesar  60.000  kg/jam  atau  132.000  lb/h berada  di  antara  100.000  lb/h  dan  300.000  lb/h,  maka  untuk  mendapatkan  nilainya, dihitung dengan menggunakan cara interpolasi seperti pada tabel 1 berikut :
Tabel 1. Nilai akibat radiasi dan konveksi pada aliran kapasitas uap boiler
Boiler capacity
steam  flow (lb/h) Radiation  and convection losses 100.000 0,7 132.000 X 300.000 0,5 x = 132.000−100.000 300.000−100.000 x (0,5 – 0,7 ) + 0,7
x = 0,700 %
L6 = x = 0,700%
➢ Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler :
( ɳ ) = 100 - (L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6)
Analisa  perhitungan  selanjutnya  setelah  menggunakan  metode  tidak  langsung  adalah analisa  proksimasi  dan  analisa  nilai  kalor  baik  itu  menggunakan  bom  kalorimeter  dan juga menggunakan rumus Dulong Petit dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
(1) Perhitungan nilai kalor dengan bom kalorimeter :
➢ Nilai kalor atas (HHV) HHV = (T 2 – T 1 - T kp ) C v (kJ/kg)
➢ Nilai kalor bawah (LHV) LHV = HHV – 3240 kJ/kg
Dimana : HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg) LHV = Nilai kalor bawah (kJ/kg) CV = Panas jenis bom Kalorimeter (73529,6 kJ/kg°C)
Apabila  dilakukan n kali  pengujian,  maka  rumus  yang  digunakan  adalah  sebagai  berikut [4] :
➢ HHV Rata-rata = ∑ HHV n I=1 n (kJ/kg)
➢ LHV Rata-rata = HHV rata-rata – 3240
(2) Menggunakan rumus Dulong Petit [5] :
➢ Nilai kalor atas (HHV) :
HHV = 33950 C + 144200 (H 2 - 𝑂 2 8 + 9400 S) kJ/kg
➢ Nilai kalor bawah (LHV)

## LHV = HHV – 2411 (M+9H 2 )
Penelitian  juga  dilakukan  dengan  menganalisa  perhitungan  suplai  udara  pada  proses pembakaran, analisa kebutuhan bahan bakar ketel, analisa panas yang dihasilkan di dapur, analisa volume ruang bakar, dan analisa kebutuhan bahan bakar.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Metode  penelitian  yang  dilakukan  pada  penulisan  ini  akan  dijabarkan  sebagai berikut :
3.1 Lokasi, jenis kegiatan, dan waktu penelitian
Penelitian  ini  dilakukan  di  tiga  tempat,  yaitu  di  laboratorium  Motor  Bakar  Teknik Mesin  USU,  di  laboratorium  kimia  FMIPA  USU,  dan  di  PT.  Astra  Internasional  Tbk- Toyota Medan.

## 3.2 Operasionalisasi penelitian
Operasionalisasi  penelitian  yang  dilakukan  juga  terbagi  menjadi  dua  (2)  variabel antara lain :
➢ Variabel penelitian
Penelitian  ini  menggunakan  tiga  macam  variable,  yaitu  variabel  bebas,  variabel terikat,  dan  variabel  control.  Alasan  penggunaan  variabel-variabel  ini  karena pengolahan  data  untuk  mendapatkan  efisiensi  termis  menggunakan  metode  tidak langsung.
➢ Pengukuran variabel penelitian
Pengukuran  variabel  ini  juga  terbagi  menjadi  tiga  (3),  yaitu  pengukuran  variabel bebas, pengukuran variabel terikat, dan pengukuran variabel kontrol
3.3 Instrumen penelitian
Instrumen  penelitian  yang  digunakan  disesuaikan  dengan  parameter  yang  akan dianalisa,  yaitu  kadar  air,  kadar  abu,  kadar  bahan  mudah  menguap,  kadar fixed carbon, nilai  kalor,  dan  emisi  gas  buang  serta  pengukuran  berat  abu  hasil  pembakaran bahan bakar. Instrumen yang digunakan antara lain :
➢ Tanur
➢ Oven
➢ Timbangan digital
➢ Bom kalorimeter
➢ stopwatch
➢ Gas emission analyzer
➢ Tungku pembakaran
➢ Timbangan manual

## 3.4 Analisa data hasil percobaan
Analisa  data  yang  didapatkan  dari  hasil  penelitian,  dituangkan  dalam  bentuk perhitungan  dengan  menggunakan  metode  perhitungan  tidak  langsung  seperti  yang tertera  pada  tinjauan  pustaka  sebelumnya  hingga  akhirnya  mendapatkan  hasil  yang diinginkan.
Percobaan untuk mendapatkan nilai beberapa parameter akan dijelaskan berikut ini. Percobaan  nilai  emisi  gas  buang  dilakukan  dengan  mulai  membakar  sampel  ke  dalam tungku  bakar  sesuai  dengan  variasi  yang  ditetapkan,  kemudian  masukkan  gas fitting emission gas analyzer ke cerobong dan ditunggu kira-kira dua menit hingga pembacaan angka  hasil  pengukuran  di  layar  LED  stabil.  Percobaan  pada  nilai  kalor  dilakukan dengan  memulai  dengan  mengukur  berat  sampel  0,15  gr  dan  volume  air  1250  mL dengan tekanan oksigen 30 bar. Pengerjaan dilanjutkan dengan mengaduk air pendingin 5 (lima) menit, kemudian suhu dicatat (T1), kemudian menyalakan bahan bakar dengan bom  kalori.  Pengadukan  dilakukan  lagi  selama  5  (lima)  menit  dan  mencatat  kembali suhunya  (T2).  Nilai  HHV  dan  LHV  dapat  dihitung  dengan  menggunakan  rumus  yang tertera di tinjauan pustaka.

## 4. HASIL PENELITIAN
Hasil yang didapatkan dikaitkan dengan variasi rasio yang dipakai antara lain :
➢ Variasi 1 = 90% AT : 10% TK
➢ Variasi 2 = 80% AT : 20% TK
➢ Variasi 3 = 70% AT : 30% TK
➢ Variasi 4 = 60% AT : 40% TK
➢ Variasi 5 = 50% AT : 50% TK
ISSN  0216-7492
Ampas  tebu  disingkat  dengan  (AT),  dan  tempurung  kelapa  disingkat  dengan  (TK). Berdasarkan  hasil  yang  telah  didapatkan  pada  proses  pengujian  dan  diolah  serta dianalisa dengan menggunakan perhitungan, maka didapatkan hasil penelitian sebagai berikut ini :

## 4.1 Hasil perhitungan efisiensi termis
Hasil disajikan dalam gambar 1 berikut ini :
Gambar 1. Grafik hubungan variasi rasio bahan bakar terhadap efisiensi termis
Grafik  di  atas,  terlihat  bahwa  setiap  variasi  menghasilkan  efisiensi  yang  berbeda,  dan terlihat bahwa efisiensi tertinggi ada pada variasi 2, dan efisiensi terendah pada variasi 3.

## 4.2 Hasil perhitungan kebutuhan bahan bakar ketel uap
Hasil disajikan dalam gambar 2 berikut ini :
Gambar 2. Grafik hubungan antara variasi rasio bahan bakar terhadap kebutuhan bahan bakar
Pada  grafik  di  atas  terlihat  bahwa  variasi  2  membutuhkan  bahan  bakar  paling  sedikit, dan variasi 1 membutuhkan bahan bakar paling banyak.
4.3 Hasil perhitungan untuk panas yang dihasilkan pada dapur pembakaran
Hasil disajikan dalam gambar 3 berikut ini :
Gambar  3.  Grafik  hubungan  antara  variasi  rasio  terhadap  panas  yang  dihasilkan  pada dapur pembakaran
Grafik di atas menunjukkan bahwa panas yang paling sedikit dihasilkan di variasi 2,dan panas yang paling tinggi berada di variasi 1 ,eskipun hanya memilki selisih panas yang sedikit dibanding variasi 3, 4, dan 5.
4.4 Hasil perhitungan biaya yang dibutuhkan Kebutuhan  biaya  pada  berbagai  variasi  rasio  ini,  dihubungkan  dengan  besarnya  bahan bakar yang digunakan. Hasil perhitungannya disajikan dalam gambar 4 berikut ini :
Gambar 4. Grafik hubungan antara variasi rasio terhadap biaya yang dibutuhkan
Dari grafik di atas terlihat bahwa biaya yang paling rendah dikeluarkan pada variasi 1, dan biaya paling tinggi dikeluarkan pada variasi 5.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN
➢ Kesimpulan
(1) Efisiensi tertinggi dihasilkan pada variasi rasio 80% AT : 20% TK sebesar 78,88%, dan  efisiensi  terendah  dihasilkan  pada  variasi  rasio  70%  AT  :  30%  TK  sebesar 75,05%
(2) Variasi rasio yang paling efisien direkomendasikan sebagai bahan bakar alternatif untuk ketel uap merk Yoshieme Japan, dengan suhu uap 325°C, kapasitas uap 60 T/jam,  dan  tekanan  29  kg/cm 2 adalah  variasi  90%  AT  :  10%  TK,    dengan  alasan dilihat dari :
ISSN  0216-7492
• Nilai efisiensi yang berbeda hanya 0,13 antara variasi rasio 80% AT : 20% TK dengan 90% AT : 10% TK
• Panas  yang  dihasilkan  oleh  variasi  90%  AT  :  10%  TK  sebesar  7813767,251 kkal/jam  lebih  besar  dibandingkan  variasi  80%  AT  :  20%  TK  sebesar 7813660,057 kkal/jam, dengan  perbedaan panas sebesar 107,194 kkal/jam
• Biaya yang dibutuhkan untuk setiap pembakaran per jam pada variasi rasio 90% AT  :  10%  TK  sebesar  Rp  70.092,124,  sementara  variasi  rasio  80%  AT  :  20% TK sebesar Rp 123.353,284, memiliki perbedaan sebesar  Rp 53.261,16
➢ Saran
(1) Untuk  meningkatkan  efisiensi,  sebaiknya  semakin  diteliti  bahan  bakar biomassa lain yang lebih tinggi nilai kalornya dibandingkan tempurung kelapa.
(2) Pada  saat  pengujian  suhu  dan  gas  emisi  gas  buang  untuk  nilai  O 2 dan  CO 2 sebaiknya  dilakukan  sampai  lebih  dari  tiga  kali,  agar  memastikan  nilainya tetap sama, atau berubah-ubah, sehingga memiliki nilai yang pasti
(3) Saran  dari  supervisor  PT.  Astra  International  Tbk  –  Toyota,  tempat  penulis menguji  emisi  gas  buang,  agar  demi  perkembangan  kemajuan  mahasiswa, khususnya  mahasiswa  teknik    mesin  USU,  agar  lebih  dilengkapi  fasilitasnya, seperti mesin gas emission analyzer, dan alat uji lainnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Hasibuan.Harry  Christian  dan  Farel  H.  Napitupulu,  Analisa  Pemakaian  Bahan dengan  Melakukan  Pengujian  Nilai  Kalor  Terhadap  Performansi  Ketel  Uap  Tipe Pipa Air dengan Kapasitas Uap 60 T/jam, jurnal e-Dinamis volume 4 No. 4 Maret 2013
[2] Syamsir.A Muin, 1998, Pesawat- pesawat Konversi Energi Ed. 1, Jakarta : Rajawali
[3] Hazwi.  Mulfi  dan  Grata  Patisarana,  Optimalisasi  Efisiensi  Termis            Boiler Menggunakan Serabut dan Cangkang Sawit sebagai Bahan Bakar, Jurnal Dinamis volume I No.11 Juni 2012
[4] Buku panduan praktek Bom Kalori meter laboratorium prestasi mesin FT USU [5] Napitupulu.Farel H, Pengaruh Nilai Kalor (Heating  Value) Suatu  Bahan  Bakar  Terhadap  Perencanaan  Nilai  Kalor Bahan  Bakar  yang  Digunakan,  jurnal  Sistem  Teknik  Industri  volume  7,  No.  1 Januari 2006