Pemanfaatan Biogas sebagai Sumber Energi Penghasil Energi Pendinginan, Energi Listrik dan Energi Pemanasan - Studi Fisibilitas
Luga Martin Simbolon * , Muhammad Arman, Susilawati 1
Jurusan Teknik Refrigerasi & Tata Udara, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir Ciwaruga, Bandung 40559, Indonesia
*E-mail: lugamartin@polban.ac.id
Diajukan: 25-09-2022; Diterima: 20-08-2023; Diterbitkan: 21-08-2023

## Abstrak
Walaupun menjadi salah satu sumber polusi yang cukup tinggi, penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi masih menjadi yang dominan jika dibandingkan dengan  jenis sumber energi yang lain. Selain itu, permasalahan yang terjadi  saat  ini  adalah  produksi  bahan  bakar  fosil  tidak  sebanding  dengan  permintaan  yang  terus  meningkat.  Guna menurunkan  dampak  negatif  dari  penggunaan  bahan  bakar  fosil,  penggunaan  energi  yang  ramah  lingkungan  terus dikembangkan, salah satunya adalah yang digunakan pada penelitian saat ini, yaitu pemanfaatan biogas sebagai sumber energi pendinginan, energi listrik dan energi pemanasan atau yang dikenal dengan trigeneration energy . Metoda yang digunakan  adalah  dengan  cara  memanaskan  fluida  dengan  bahan  bakar  biogas,  lalu  fluida  panas  dialirkan  ke  sistem refrigerasi  sistem  absorpsi  dan  sistem  pembangkit  listrik  TEG  ( thermoelectric  generator ).  Berdasarkan  hasil perhitungan, pemanasan fluida menggunakan biogas membutuhkan energi sebesar 615 watt. Kemudian besaran energi ini digunakan untuk sistem pendingin absorpsi dan TEG yaitu berturut-turut 70 dan 397 watt. Sisa energi sebesar 148 watt dapat digunakan untuk energi pemanasan. Ketika energi pemanasan tidak digunakan, maka energi dari fluida panas (615 watt) dapat seluruhnya digunakan atau di maksimalkan untuk pembangkitan energi pendinginan dan energi listrik.
Kata kunci: biogas; trigeneration; sistem absorpsi; thermoelectric generator

## Abstract
Despite the fact that being sources of high pollution, the use of fossil fuels as an energy source is predominant when compared to other types of energy sources. In addition, the current problem is that the demand of fossil fuels is much higher than the supply. To reduce the negative impact of the use of fossil fuels, the use of environmentally friendly energy continues to be developed, one of which is used in current research, namely biogas, that is used as a source of cooling energy, electrical energy, and heating energy (trigeneration energy). The method used is by heating the fluid with biogas fuel, then the hot fluid is flowed to the absorption system refrigeration system and the TEG (thermoelectric generator) power generation system. Based on the calculation results, heating the fluid using biogas requires 615 watts of energy. Then this amount of energy is used for the absorption cooling system and TEG, namely 70 and 397 watts respectively. The remaining 148 watts of energy can be used for heating energy. When heating  energy is not used, the energy from the hot fluid (615 watts) can be fully utilised or maximized for the generation of cooling energy and electrical energy.
Keywords: biogas; trigeneration; absorption system; thermoelectric generator

## 1. Pendahuluan
Ada  beberapa  sumber  energi  yang  dimanfaatkan  secara  global,  seperti  bahan  bakar  fosil,  tenaga  nuklir,  dan  energi terbarukan. Menurut biro statistik internasional, dunia sangat bergantung pada bahan bakar fosil [1]. Penggunaan bahan bakar fosil mencapai 78,4% pada tahun 2012. Sebaliknya, penggunaan energi terbarukan hanya 19%. Sisanya menggunakan energi nuklir [2].
Produksi bahan bakar fosil tidak dapat memenuhi permintaan yang terus meningkat. Dalam bukunya Renewable Energy Technologies, Dr. Z. Dehouce menyatakan bahwa kebutuhan dunia akan bahan bakar fosil akan terus meningkat sementara produksinya akan terus menurun. Pada tahun 2015 terjadi kesenjangan antara permintaan dan penawaran yang mencapai sekitar 50 Mb/d (Juta barel per hari) [3]. Lebih lanjut, Dr. Z. Dehouce menyatakan bahwa peningkatan penggunaan bahan
bakar fosil berarti peningkatan jumlah gas emisi CO2. Gambar 3 menunjukkan bahwa emisi gas CO2 akan melewati level 15 gigaton di sektor pembangkit listrik pada tahun 2030 [3]. Akibatnya, CO 2 , bersama dengan gas lain seperti CH 4 , CFC 2 , O3 dan NOx yang menghasilkan efek rumah kaca, akan membawa dampak besar terhadap perubahan iklim.  Oleh karena itu, peningkatan konsentrasi CO 2 dan CH 4 harus dibatasi.
Salah satu cara untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat sekaligus mengurangi emisi gas buang CO 2 dan CH 4 adalah dengan memaksimalkan produksi energi terbarukan.  Di Inggris, produksi energi terbarukan pada sektor pembangkit listrik meningkat dari tahun 1990 hingga 2008. Beberapa negara Eropa juga menargetkan peningkatan produksi energi terbarukan mereka. Negara-negara Eropa memiliki target rata-rata untuk meningkatkan 20% produksinya menjadi energi final [3].
Energi terbarukan seperti tenaga angin, energi matahari, pasang surut air laut,  biomassa dan biogas telah digunakan sejak  tahun  1990,  dan  ada  studi  terus  menerus  yang  dilakukan  dalam  hal  ini.  Dalam  ulasannya,  A.  Zahedi  (2010) menyatakan bahwa pemerintah harus mengambil inisiatif untuk mendukung studi energi terbarukan. Ia juga menambahkan, negaranya berpotensi menjadi market leader energi surya, khususnya dalam studi photo voltaic (PV) [4].
Biogas merupakan sumber energi alternatif dan dapat dihasilkan dari hampir semua biomassa yang dapat terdegradasi. Sebuah studi yang dilakukan oleh Hosseini (2013), Studi Kelayakan Produksi Biogas dari Limbah Industri Kelapa Sawit, mengungkapkan bahwa mekanisme terbaik untuk menghasilkan biogas adalah dengan menggunakan tangki tertutup [5]. Studi lain oleh J. Havukainen (2014) mengevaluasi beberapa  metode untuk menunjukkan kinerja produksi biogas. Studi mengungkapkan evaluasi kinerja energi dari produksi biogas dengan menggunakan metode estimasi [6].
Biogas dapat langsung digunakan sebagai bahan bakar untuk pembakaran atau dapat dikombinasikan dengan energi lain (dikenal dengan istilah hybrid). Seperti yang dilakukan oleh Rahman Md. M, dkk, sistem hybrid yang digunakan adalah kombinasi antara biogas dan energi matahari yang akan digunakan untuk memasak dan listrik [7]. Selain sistem hybrid, seperti yang dilakukan oleh Jeong C., juga dimungkinkan untuk menggabungkan biogas dan hidrogen sebagai bahan bakar untuk  generator mesin  gas  percikan  api.  Penambahan  konsentrasi  hidrogen  hingga  15% ke  dalam  biogas  menghasilkan peningkatan efisiensi generator sebesar 29,26% [8].
Penggunaan generator listrik sebagai pembangkit energi listrik juga dapat dipadukan dengan beberapa fungsi seperti sebagai pendingin atau pemanas. Kombinasi tersebut dikenal sebagai tri-generation atau Combine Cooling Heating and Power (CCHP). Pada tahun 2009, Savvas Tassou bersama Ge YT melakukan evaluasi kinerja sistem trigenerasi dengan menggunakan turbin mikro sebagai penggerak utama dan pendingin absorpsi sebagai mesin pendingin yang menggunakan limbah panas dari turbin mikro sebagai sumber energinya [9]. Kinerja tersebut ditunjukkan dengan nilai Primary Energy Ret (PER) yang merupakan perbandingan antara jumlah energi bahan bakar yang dibutuhkan dengan total energi listrik dan kapasitas pendinginan yang dihasilkan.
Tassou juga meninjau perangkat tri-generation sebagai teknologi baru untuk aplikasi makanan dan pendinginan [10]. Salah satu masalah yang mungkin muncul dari penggunaan tri-generation adalah bahwa perbedaan harga antara listrik dari grid dan bahan bakar yang digunakan dalam sistem tri-generation tidak terlalu tinggi sehingga sulit untuk mengevaluasi penghematan  energi  dengan  menggunakan  sistem.  Isu  harga  BBM  bisa  diminimalisir  dengan  mengganti  turbin  mikro sebagai penggerak utama dengan gas dari limbah rumah tangga.
Energi terbarukan yang umum digunakan adalah energi matahari, tenaga angin, pembangkit listrik tenaga air, biofuel dan  biomassa.  Dalam  bukunya  Biogas  from  Waste  and  Renewable  Resources,  Dieter  Dublin  dan  Angelika  Steinhauser menjelaskan  bahwa  semua  biomassa  yang  difermentasi  dapat  digunakan  sebagai  sumber  energi  [11].  Lebih  lanjut, penelitian yang dilakukan di Siprus oleh Nicoletta Kythreotou, Savvas A. Tassou dan Georgios Florides pada tahun 2012
menyimpulkan bahwa banyak limbah biodegradable seperti limbah pertanian,  industri sayuran dan buah-buahan, rumah potong hewan dll, berpotensi menghasilkan energi yang dapat diubah menjadi energi panas dan listrik [12].
Saat  ini,  biogas  yang  paling  umum  adalah  biogas  yang  dihasilkan  dari  kotoran  hewan.  Kotoran  sapi  sudah  umum digunakan sehingga banyak peternak sapi membangun instalasi untuk menghasilkan biogas. Penggunaan kotoran hewan untuk menghasilkan biogas hanya terbatas pada mereka yang memiliki ternak, seperti sapi, babi, domba dll. Namun, karena biogas  dapat  dihasilkan  dari  semua  biomassa  yang  difermentasi,  limbah  rumah  tangga  berpotensi  untuk  dimanfaatkan sebagai pembangkit biogas.
Biogas  hasil  fermentasi  dapat  kategorikan  sebagai  sumber bahan bakar  yang dapat diperbaharui.  Dengan  nilai kalor tertentu,  biogas  dapat  dikonversi  menjadi  sumber  energi  bentuk  lain,  diantaranya  adalah  dengan  dilakukan  proses pembakaran untuk menghasilkan energi panas. Terdapat suatu sistem trigeneration energy (pembangkit tiga jenis energi) yang  dapat  memanfaatkan  energi  panas  sebagai  sumber  energi  atau  penggeraknya.  Pemanfaatan  panas  dari  hasil pembakaran biogas sebagai sumber energi Trigeneration masih terus dikembangkan, aspek-aspek pengaruh seperti sumber biogas, jenis peralatan penukar dan persentasi jumlah kalor pada tiap peralatan masih dapat dijadikan research gap [13].
Limbah rumah tangga yang difermentasi akan menghasilkan biogas yang nantinya dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Penelitian ini merupakan upaya untuk memanfaatkan energi yang dihasilkan dari fermentasi limbah rumah tangga untuk diubah menjadi energi lain. Dengan kata lain, tujuan dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan energi dari limbah rumah  tangga  untuk  kemudian  digunakan  sebagai  pembangkit  listrik  dan  pendinginan.  Topik  penelitian  ini  diharapkan dapat mendukung perkembangan teknologi di bidang energi dan khususnya untuk menghemat konsumsi energi di kawasan pemukiman.

## 2. Material dan metodologi
Pada perencanaan awal, dilakukan sebagai berikut. Pertama, massa limbah rumah tangga yang akan difermentasi dalam reaktor  chamber  akan  ditentukan  (seperti  yang  ditunjukkan  pada  gambar  1).  Saat  tekanan  dalam  pengukur  meningkat (regulator tertutup), gas (biogas) dihasilkan. Ketika tekanan berhenti meningkat, katup regulator dibuka dan gas masuk ke burner.  Api  kemudian dinyalakan  untuk  memanaskan  air  dalam  gelas  ukur.  Pemanasan air  akan  menghasilkan  estimasi jumlah energi yang dihasilkan oleh biogas. Besaran energi tersebut kemudian digunakan untuk menentukan satuan energi yang  akan  digunakan  dalam  sistem  trigenerasi.  Beberapa  alat  ukur  seperti  termometer  digital,  wattmeter  dan  timer digunakan untuk mengukur kinerja sistem.
Gambar 1. Skematik pengujian kandungan energi pada biogas
Persamaan yang digunakan untuk menghitung kalor pemanasan air adalah sebagai berikut:
Qw = mw s × cpw × ∆t (1)
Dimana:
Qw  : kalor pemanasan air [kW] mw  : massa air [kg] cpw  : kalor spesifik air [kJ/kg.°C]
(nilai yang digunakan pada perhitungan adalah 4,2 kJ/kg.°C ) Δt  : Perbedaan temperatur air sebelum dan sesudah dipanaskan [°C]
s : Waktu yang diperlukan untuk memanaskan air [detik]
Pengujian  yang  dilakukan  selanjutnya  adalah  pengujian  performansi  sistem  pemanas  air  biogas  yang  dihubungkan dengan  sistem  trigeneration  (gambar  2).  Trigeneration  energi  (pembangkitan  tiga  energi)  yang  dihasilkan  dengan memanfaatkan energi panas dari air adalah energi pendinginan, energi listrik dan energi pemanasan. Kesetimbangan energi dari sistem ini dapat diwakilkan oleh persamaan (2).
Qw=Ec+Ee+Ep (2) Dimana: Qw  : kalor pemanasan air [kW]
Ec  : Energi pendinginan [kW]
Ee  : Energi listrik [kW] Ep  : Energi pemanasan [kW]
Burner akan memanaskan tangki terlebih dahulu (Valve 1, valve 2 dan valve 3 tertutup). Suhu maksimum adalah suhu untuk memanaskan mesin kulkas absorpsi. Ketika temperatur fluida di dalam tangki tercapai maka valve 1 akan terbuka karena akan membutuhkan waktu yang lama bagi mesin pendingin absorpsi untuk melakukan proses pendinginan. Ketika suhu di evaporator mesin kulkas semakin rendah, katup 2 dan katup 3 dibuka. Setelah sistem trigenerasi berjalan, dilakukan pengukuran untuk melihat kinerjanya.
Gambar 2. Skematik pengujian tri-generation energy
Data  yang  diperoleh  dari  proses  pengukuran  dikumpulkan  untuk  mendapatkan  informasi  yang  dibutuhkan.  Untuk mengetahui  besarnya  energi  yang  diserap  pada  mesin  refrigerasi  diperlukan  data  penurunan  suhu  serta  waktu  yang diperlukan untuk penurunan suhu tersebut. Hal yang sama dilakukan untuk koil pemanas, yaitu data kenaikan suhu. Pada generator  listrik,  beban  listrik  seperti  resistor  atau  LED  (Light  Emitting  Diode)  diperlukan  untuk  mengukur  daya  yang
dihasilkan.  Tenaga  listrik  dibangkitkan  dengan  cara  mengukur  arus,  resistansi    dan  tegangan  listrik.  Total  ketiga  energi tersebut akan menghasilkan jumlah yang nantinya digunakan untuk menganalisis kinerja sistem tri-generation.

## 3. Hasil dan pembahasan

## 3.1  Kalor Pemanasan Air
Hasil  produksi  biogas  yang  dilakukan  pada  penelitian  kali  ini  tidak  dapat  digunakan.  Walaupun  debit  aliran  biogas menuju burner sudah besar, proses pembakaran biogas tidak terjadi. Besar kemungkinan kandungan uap air dan CO 2 pada biogas  cukup  tinggi,  sehingga  menghalangi  terjadinya  proses  pembakaran.  Sebagai  alternatif,  proses  pemanasan  air dilakukan dengan menggunakan kompor gas portable (gambar 3). Pemanasan air dilakukan beberapa kali dengan variasi nyala  api,  hal  ini  dilakukan  untuk  memperoleh  nilai  rata-rata  energi  yang  diterima  oleh  air.    Dengan  menggunakan persamaan (1) maka diperoleh energi rata-rata yang akan digunakan pada proses trigeneration (tabel 1).
Gambar 3. Penggantian sistem pembakaran biogas dengan kompor portable
Tabel 1 . Kalor Pemanasan Air
Nyala api Massa air (kg) Temperatur air awal (°C) Temperatur air akhir (°C) Waktu pemanasan (detik) Kalor air (kW) Posisi knop 1 0,331 25,6 71 86 0,734 91 130 0,699 99 151 0,676 Posisi knop 2 0.332 31,2 53 61 0,498 74 130 0,459 99 319 0,296 Posisi knop 3 0.363 30,1 71 77 0,809 93 133 0,721 99 163 0,644 Rata-rata 0,615

## 3.2 Trigeneration Energi
Energi pendinginan yang dihasilkan diperoleh dari sistem refrigerasi jenis  absorpsi cooler (gambar 5). Sistem absorpsi ini menggunakan energi panas sebagai penggeraknya (energi input), yang besarnya adalah 70 watt. Jenis sistem refrigerasi absorpsi  mempunyai nilai  performansi  (COP)  berkisar  antara  0,7-1  [14-16].  Akan  tetapi pada  pengujiannya,  COP  yang dapat dicapai berkisar antara 0,66 hingga 1,64. Karena pendinginan bagian kondenser sistem ini menggunakan sistem alami,
maka temperatur lingkungan sangat berperan dalam menentukan nilai COP. Pengaruh nilai COP terhadap lingkungan dapat dilihat pada gambar 4, dimana COP akan naik ketika temperatur lingkungan turun.
Gambar 4. Pengaruh temperatur terhadap COP
Pembangkitan  Energi  listrik  diperoleh  dari  pembangkit  jenis Thermoelectric  Generator (TEG),  dimana  perbedaan temperatur akan diubah oleh semiconductor thermoelectric menjadi beda potensial. Pada pada penelitian ini, TEG yang digunakan ada 4 keping (gambar 6) dan beda potensial yang dihasilkan tiap keping dapat mencapai 1,2 Vdc, dan menjadi 4,8 Vdc jika disusun secara seri. Dengan menambahkan resistor 1 kOhm, daya output yang dapat dihasilkan TEG adalah 23 x 10 -3 watt. Nilai ini akan meningkat berbanding lurus dengan jumlah kepingnya. Besar energi input yang dibutuhkan untuk menghasilkan beda temperatur pada TEG adalah berkisar antara 286-397 watt. Untuk perhitungan kesetimbangan energi, digunakan nilai yang terbesar.
Gambar 5. Sistem Refrigerasi Jenis Absorpsi
Sedangkan besarnya energi panas yang masih dapat digunakan, diperoleh dengan cara menghitung sisa energi dari kalor pemanasan air. Dengan memodifikasi persamaan (2), maka Energi pemanasan yang dihasilkan adalah:
Ep = Qw - Ec - Ee = 615 – 70 – 397 = 148 watt
Energi pemanasan ini masih dapat digunakan untuk sistem pemanas lainya, seperti pemanas air untuk kebutuhan mandi atau  untuk  sistem  pencucian  dan  pembilasan.  Jika  Energi  pemanasan  tidak  digunakan,  dapat  dikembalikan  ke  sistem
0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 17 19 21 23 25 27 29 COP Temperatur lingkungan, C°
pemanas  air  (sumber)  sehingga  penggunaan  bahan  bakar  atau  biogas  dapat  dihemat  dan  dapat  dimaksimalkan pemanfaatanya hanya untuk energi pendinginan dan energi listrik.
Gambar 6. Sistem Pembangkit Listrik Jenis TEG

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  penelitian  yang  dilakukan,  dapat  diketahui  bahwa  dalam  pembuatan  biogas  menggunakan  sampah  rumah tangga masih diperlukan investigasi lanjutan guna mengetahui unsur-unsur penghalang yang menyebabkan tidak terjadinya proses pembakaran. Jika melihat dari subtitusi biogas dengan kompor gas, sistem pemanfaatan panas untuk trigeneration energy dapat dilakukan  dengan  baik. Terlepas  dari  nilai  COP  dan  tegangan  TEG yang kecil,  sistem  trigeneration  dapat dikembangkan  dengan  mempertimbangkan  aspek-aspek  seperti  penggunaan  fluida  kerja  pada  sistem  pemasan,  jumlah kepingan  pada  sistem  TEG  dan  pemaksimalan  pemanfaatan  energi  yang  disesuaikan  dengan  kebutuhanya,  terutama kebutuhan energi pada sektor rumah tangga.

## Ucapan terima kasih
Peneliti  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Politeknik  Negeri  Bandung  atas  dukungan  secara  finansial  melalui  skema Penelitian Mandiri. Peneliti juga mengucapkan apresiasi kepada Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara atas fasilitas sarana dan prasarana selama penelitian ini berlangsung.

## Daftar pustaka
[1]   Wang W, Fan LW, Zhou P. Evolution of global fossil fuel trade dependencies. Energy. 2022 Jan 1; 238:121924.
[2]   REN21. Renewables 2014: global status report.
www.ren21.net/Portals/0/documents/Resources/GSR/2014/GSR2014_full%20report_low%20res.pdf  [Diakses  pada tanggal 15 Juni 2023].
[3]  Dehouce,  Z.  Renewable  Energy  Technologies,  Presentation  Module:  ME  5521-ME3301.  Brunel  University Copyright, London, The UK; 2009.
[4]   Zahedi, A. Australian renewable energy progress. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010; 14(8): p. 2208- 2213.
[5]   Hosseini, S. E., Wahid, M. A. Feasibility study of biogas production and utilization as a source of renewable energy in Malaysia. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013; 19: p. 454-462.
[6]   Havukainen, J., Uusitalo, V., Niskanen, A., Kapustina, V.,  Horttanainen, M.  Evaluation of methods for estimating energy performance of biogas production. Renewable energy. 2014; 66: p. 232-240.
[7]   Rahman,  Md.  M.  Hybrid  application  of  biogas  and  solar  resources  to  fulflill  houshold  energy needs:  a  potentially viable option in rural areas of developing countries. Renewable Energy. 2014; 68: pp.35-45.
[8]   Jeong, C. Generating efficiency and emissions of a spark-ignition gas engine generator fuelled with biogas-hydrogen blends. Hydrogen Energy. 2009; 34: pp. 9620-9627.
[9]   Ge, Y.T., Tassou, S.A., Chaer, I., Suguartha, N. Performance Evaluation of A Tri-generation System With Simulation and Experiment’. Applied Energy. 2009; 86: pp. 2317-2326.
[10]  Tassou, S. A., Lewis, J. S., Ge, Y. T., Hadawey, A., Chaer, I.  A review of emerging technologies for food refrigeration applications. Applied Thermal Engineering. 2010; 30 (4): pp. 263-276.
[11]  Deublein, D., Steinhauser A. Biogas from waste and renewable resources, An Introduction. 2nd edn. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Boschstr, Germany; 2011.
[12]  Kythreotou,N., Tassou, S.A., Florides, G.  An assesment of the biomass potential of cyprus for energy production. Energy. 2012; 47: pp.253-261.
[13]  Agonafer TD, Eremed WB, Adem KD. Biogas-based trigeneration system: a review. Results in Engineering. 2022 Jul; 2:100509.
[14]  Liu X, Li J, Hou K, Wang S, He M. New environment friendly working pairs of dimethyl ether and ionic liquids for absorption refrigeration with high COP. International Journal of Refrigeration. 2022 Feb 1; 134: pp. 159-167.
[15]  Srikhirin P, Aphornratana S, Chungpaibulpatana S. A review of absorption refrigeration technologies. Renewable and sustainable energy reviews. 2001 Dec 1;5(4): pp. 343-72.
[16]  Mukhtar  HK,  Ghani  S.  Hybrid  ejector-absorption  refrigeration  systems:  a  review.  Energies.  2021  Oct  13;  14(20): 6576.