KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET OTTO DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM DAN BIOGAS DARI LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT
Agustinus S. 1 , Tulus B.Sitorus 2 , Terang UHS Ginting 3 , Dian M. Nasution 4 , Farel H. Napitupulu 5 , Syahril Gultom 6 , Zulkifli Lubis 7 1,2,3,4,5,6,7 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan, 20155 Email: agustinus_sitio@yahoo.com

## ABSTRAK
Biogas merupakan gas yang mudah terbakar ( flamable ) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan- bahan  organik  oleh  bakteri-bakteri  anaerob  yang  berasal  dari  limbah  rumah  tangga  kotoran  hewan (sapi,  babi,  ayam)  dan  sampah  organik  termasuk  POME.  POME  merupakan  kondensat  dari  proses sterilisasi cairan yang berasal dari pengolahan kelapa sawit menjadi crude palm oil. Tujuan penelitian ini  untuk  mengetahui  performasi  bahan  bakar  biogas  dan  kemudian  membandingkannya  dengan bahan  bakar  premium.  Performansi  yang  dimaksud  meliputi  daya,  torsi,  konsumsi  bahan  bakar spesifik, efisiensi termal, rasio udara- bahan bakar, emisi gas buang dan hasil pembakaran pada busi. Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  variasi  beban  lampu  100W,  200W,  300W,  400W,  dan 500W.  Penelitian  ini  memanfaatkan  biogas  yang  diproduksi  dari  limbah  cair  kelapa  sawit  untuk digunakan sebagai bahan bakar pada mesin genset otto4-langkah STARKE tipe GFH1900LX dengan daya puncak 1,3 kW, daya rata- rata 1,0 kW, bore 55 mm, stroke 40 mm, V d 95  × 10 −6 m 3 , V c 10  × 10 −6 m 3 ,  rasio  kompresi  10,5  :  1,  dan  jumlah  silinder  1  silinder.  Dari  hasil  pengujian  didapat  pada penggunaan  bahan  bakar  biogas  terjadi  penurunan  daya,  torsi,  efisiensi  termal  brake,  dan  AFR,. Sementara itu terjadi peningkatan nilai sfc.
Kata kunci : AFR, biogas, daya, efisiensi termal brake,emisi gas buang,  pome, sfc, torsi

## 1. PENDAHULUAN
Besarnya konsumsi  energi dalam negeri Indonesia telah menambah daftar masalah nasional. Sementara itu energi fosil yakni minyak bumi dan batu bara merupakan energi yang tidak terbarukan sehingga bergantung pada ladang-ladang baru yang membutuhkan eksplorasi secara berkala.
Konsumsi  BBM  bersubsidi  di  Indonesia  pada tahun  2011  mencapai  41,7  juta  kiloliter  (kl),  dan tahun  2012  mencapai  45  juta  kl.  Nilai  impor  bahan  bakar  minyak  mencapai  150  juta  dollar  AS  per hari  atau  setara  Rp  1,7  triliun  per  hari.  Grafik  dari  perbandingan  konsumsi  minyak  dan  produksi minyak di Indonesia ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1 Perbandingan produksi dan konsumsi minyak Indonesia
[1]
Para  peneliti  di  Indonesia  sampai  saat  ini  telah  mengembangkan  beberapa  bahan  bakar alternatif  seperti  biogas,  bioethanol,  biodiesel,  mikrohidro,  geothermal  dan  tenaga  angin  dengan tujuan  untuk  mengurangi  beban  biaya  diatas.  Saat  ini  jumlah  energi  terbarukan  yang  mampu
diproduksi  sekitar  14%  dari  total  seluruh  energi  yang  dibutuhkan  Indonesia,  sementara  itu  target Indonesia  sekitar  23%  pada  tahun  2025.  Diperlukan  kerja  yang  lebih  keras  lagi  untuk mengembangkan seluruh sumber daya energi terbarukan.
Khusus  pada  bahan  bakar  alternatif  biogas,  Indonesia  memiliki  bahan  baku  yang  berlimpah untuk memproduksi biogas dalam jumlah besar. Luas kebun sawit  Indonesia sekitar 13,5 juta hektar. Setiap  proses  produksi  buah  sawit  yang  menghasilkan  1  ton  CPO  maka  akan  menghasilkan  5  ton Palm Oil Mill Effluent (POME) yang masih mengandung banyak zat-zat organik. Jika sebuah pabrik kelapa  sawit  memiliki  kapasitas  35  ton/jam  akan  mengasilkan  biogas  sekitar  600  m 3 /jam  setara dengan 5.044 MJ/jam yang berpotensi menghasilkan listrik sekitar 1 MW ( ESDM, 2012 ) [2]. POME umumnya mengandung 34,2% ekstrak tanpa N, 31,6% ekstrak dengan ether, 14,1% abu, 11,9% serat, dan 8,2 % protein [3].
Berikut ini merupakan tablel 1 yang menunjukkan komposisi kimia dari limbah cair POME.

## Tabel 1 Komposisi POME
Komponen % Berat Kering Ekstrak dengan ether 31,6 Protein (N x 6,25) 8,2 Serat 11,9 Ekstrak tanpa N 34,2 Abu 14,1 P 0,24 K 0,99 Ca 0,97 Mg 0,3 Na 0,08 Energi (kkal/100 g) 454
Sumber: Siregar.2009
Selain  jumlahnya  yang  besar  dan  mudah  didapat,  pemanfaatan  POME  menjadi  sumber bahan baku biogas  juga akan meningkatkan nilai tambah penanganan limbah pabrik kelapa sawit dan meningkatkan  kelestarian  lingkungan.  Produk  samping  hasil  pengolahan  POME  menjadi  biogas berupa zat cair dan padat masih dapat digunakan sebagai pupuk organik. Pembakaran metana dinilai lebih baik daripada membiarkan gas metana bercampur ke atmosfer, karena metana juga merupakan salah satu gas penghasil efek rumah kaca.
Adapun  tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  performansi  (daya,  torsi,  SFC, efisiensi  termal,  rasio udara  –  bahan  bakar),  pada  mesin  genset  otto  saat menggunakan  bahan bakar biogas dan membandingkannya dengan bahan bakar premium.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1     Sejarah Biogas
Biogas sendiri sebenarnya sudah ada sejak kebudayaan Mesir, China, dan Romawi Kuno.Pada waktu  itu  diketahui  biogas  telah  dimanfaatkan  untuk  menghasilkan  panas.  Dan  orang  pertama  yang mengaitkan gas bakar ini dengan proses pembusukan bahan sayuran adalah Alessandro Volta (1776), sedangkan  Willam  Henry  pada  tahun  1806  mengidentifikasikan  gas  yang  dapat  terbakar  tersebut sebagai  methan.  Kegiatan  produksi  biogas  di  India  telah  dilakukan  semenjak  abad  ke-19.  Alat pencerna  anaerobik  pertama  dibangun  pada  tahun  1900  [4].  Negara  berkembang  lainnya,  seperti
China,  Filipina,  Korea,  Taiwan,  dan  Papua  Niugini,  telah  melakukan  berbagai  riset  dan pengembangan alat pembangkit biogas dengan prinsip yang sama, yaitu menciptakan alat yang kedap udara dengan bagian-bagian pokok terdiri atas pencerna (digester), lubang pemasukan bahan baku dan pengeluaran  lumpur  sisa  hasil  pencernaan  ( slurry )  dan  pipa  penyaluran  gas  bio  yang  terbentuk (Nandiyanto, 2007) [5].
Persentasi dari biogas yang dihasilkan oleh digester ditunjukkan oleh tabel 2 [6].

## Tabel 2 Persentasi dari penyusun biogas yang dihasilkan digester
Sumber: Omid dkk, 2011
Secara garis besar proses pembentukan biogas dibagi menjadi tiga tahapan, yaitu:
1. Tahap Hidrolisis ( Hydrolysis )
Pada tahap ini, bakteri memutuskan rantai panjang karbohidrat kompleks; protein dan lipida menjadi  senyawa  rantai  pendek.  Contohnya  polisakarida  diubah  menjadi  monosakarida, sedangkan protein diubah menjadi peptide dan asam amino.
2. Tahap Asidifikasi ( Acidogenesis dan Acetogenesis )
Pada  tahap  ini,  bakteri  ( Acetobacter  aceti )  menghasilkan  asam  untuk  mengubah  senyawa rantai  pendek  hasil  proses  hidrolisis  menjadi  asam  asetat,  hidrogen,  dan  karbon  dioksida. Bakteri  tersebut  merupakan  bakteri anaerob yang  dapat  tumbuh  dan  berkembang  dalam keadaan asam.
3. Tahap Pembentukan Gas Metana ( Methanogenesis ) Pada  tahap  ini,  bakteri Methanobacterium  omelianski mengubah  senyawa  hasil  proses asidifikasi menjadi metana dan CO2 dalam kondisi anaerob . Proses pembentukan gas metana ini termasuk reaksi eksotermis.
Gambar 2 Stage anaerobic Digestion
[7]

## 2.2 Sifat-Sifat Biogas
Kandungan  biogas  sebagian  besar  adalah  metana  dan  karbon  dioksida  maka  sifat  biogas  di fokuskan  dari  kedua  sifat  gas  tersebut.  Namun  kandungan  biogas  lain  seperti  nitrogen,  hidrogen sulfida yang relatif kecil tidak dapat diabaikan. Contohnya hidrogen sulfida memiliki pengaruh sangat
besar  untuk  menyebabkan korosi jika  bereaksi dengan  air.  Sifat-sifat  umum  dari  biogas  ditunjukkan oleh tabel 3 [8].
Tabel 3 Sifat-sifat umum biogas
Sumber: Barik dkk, 2012

## 2.3 Nilai Kalor Biogas
Nilai kalor premium didapat dengan melakukan uji bom kalorimeter sebesar 43966 kJ/kg. sedangkan biogas adalah sebagai berikut:
Pembakaran metana
CH 4 + O 2 >>> CO 2 + 2H 2 O
16.042 + 64 >>> 44.011 + 36.032
36.032/16.042 = 2.246 lb H 2 O/lb CH 4
Jika mengasumsikan panas kondensasi air sebesar 1040 Btu/lb, maka panas kondensasi pembakaran metana sekitar 2336 Btu per pound metana yang dibakar.
HHV = 23,890 Btu/lb or 994.7 Btu/ft 3 *
LHV = 21,518 Btu/lb or 896.0 Btu/ft 3 * * At 68 °F and 14.7 psia.
Berikut ini tabel 4 yang menunjukkan nilai LHV biogas tiap % CH 4 yang dikandung biogas [9].
Tabel 4 Nilai LHV Biogas tiap %CH 4 yang dikandungnya

## 2.4 Motor Bakar 4 Langkah
Mesin otto ditemukan oleh Nikolaus Otto merupakan mesin motor bakar fengan pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi saat proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin ini terbagi 2 yakni, motor bakar 2 langkah dan 4 langkah. Pada motor bensin 2- langkah, siklus terjadi dalam dua gerakan torak atau dalam satu putaran poros engkol. Sedangkan  motor  bensin  4-langkah,  pada  satu  siklus  tejadi  dalam  4-langkah  [10].  Berikut  adalah gambar siklus otto ideal 4 langkah :
Gambar 3 Langkah-langkah mesin otto 4 tak
Gambar 4 Diagram P-v dan T-s Siklus Otto Ideal

## 2.5 Performansi Motor bakar
Berikut merupakan rumus-rumus yang digunakan untuk menghitung performansi motor bakar [11 ].
a. Torsi dan Daya
𝑃 𝐵 = 2×𝜋×𝑛 60 𝑇 (1)
𝑃 = 𝑉 × 𝐼 (2) Dimana : 𝑃 𝐵 = Daya keluaran (Watt) N = putaran mesin (rpm) T = Torsi (N.m)
b. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
𝑆𝑓𝑐 = 𝑚̇𝑓 𝑥10 3
𝑃 𝐵
(3)
Dimana : Sfc = kosumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h) 𝑚̇𝑓 = laju aliran  bahan bakar (kg/jam)
c. Efisiensi thermal brake
𝜂 𝑏 = 𝑃 𝐵 𝑚̇ 𝑓 .𝐿𝐻𝑉. 𝜂 𝑐 × 3600 (4)
Dimana :   η b = efisiensi thermal  brake LHV  = nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg)  𝑐 = efisiensi pembakaran; diasumsikan 97%
d. Rasio Udara -  Bahan Bakar
𝐴𝐹𝑅 = ṁ 𝑎 ṁ 𝑓 (5)
Dimana : ṁ 𝑎 = laju aliran udara didalam mesin

## 3. Metode Penelitian
Bahan  yang  dipergunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  premium  murni  yang  didapat  dari SPBU  Pertamina  dan  Biogas  yang  diproduksi  oleh  Lembaga  Pusat  Penelitian  dan  Pengabdian Masyarakat Universitas Sumatera Utara.
Biogas  yang  diproduksi  berasal  dari  limbah  cair  pabrik  kelapa  sawit  atau  sering  disebut POME  ( Palm  Oil  Milf  Effluent )  yang  di  fermentasikan  dengan  bakteri  anaerob  di  dalam  sebuah biodigester.
Pengujian dilakukan dengan memberikan variasi beban daya secara berturut-turut 100 W, 200 W, 300W , 400 W dan 500 W.
Berikut  ini  gambar  5  dan  gambar  6  yang  menunjukkan  skema  pengujian  pada  bahan  bakar premium dan bahan bakar biogas.
Gambar 5 Skema pengujian premium

## Gambar 6 Skema pengujian biogas
Saat beban daya diberikan maka dilakukan pengukuran besarnya tegangan, dan kuat arus yang dihasilkan  dengan  menggunakan  multitester.  Sementara  untuk  menghitung  besarnya  putaran  yang dihasilkan mesin digunakan tachometer. Pada premium, lamanya pengujian dilakukan selama 5 menit tiap  variasi  beban  dan  kemudian  diukur  besarnya  massa  bahan  bakar  yang  berkurang  pada  tangki. Pada  biogas,  pengujian  dilakukan  dengan  mengalirkan  biogas  dari  tangki  kapasitas  100  L  tekanan sekitar  6  bar  menggunakan  selang  ke  karburator  yang  telah  di  modifikasi  sebelumnya.  Mesin dinyalakan sampai isi tangki menjadi kosong dan waktunya diukur dengan stopwatch.

## 4. Hasil Pengujian
Setelah  dilakukan  pengujian  kurang  lebih  1  bulan  lamanya  di  LP3M  USU,  maka  didapat hasilnya sebagai berikut :

## 4.1   Daya
Pada bahan bakar premium jika jumlah lampu beban daya ditambah, maka putaran dan daya keluaran  semakin  besar.  Pada  premium  dengan  beban  1  lampu  mesin  genset  mengeluarkan  putaran keluaran  sebesar  4049,5  rpm  daya  sebesar  114,1  watt,  dan  pada  beban  5  lampu  mesin  genset menghasilkan putaran keluaran sekitar 4458,5 rpm daya 517,635 watt.
Pada  biogas  dengan  beban  1  lampu  mesin  genset  mengeluarkan  putaran  keluaran  sebesar 4188,5  rpm  dan  daya sebesar  107,25  watt,  pada  beban  4  lampu mesin  genset  menghasilkan  putaran keluaran  sekitar  4428,5  rpm  dan  daya  sebesar  407,79  watt.    Pada  beban  5  lampu  mesin  genset menghasilkan putaran keluaran sekitar 3898,5 rpm dan daya sebesar 424,74 watt. Turun nya putaran dan daya keluaran  disebabkan oleh kandungan CO 2 pada bahan bakar biogas yang mencapai 30-40%. Oleh kandungan tersebut, laju pembakaran biogas menjadi lambat dan nilai kalor bahan bakar biogas menjadi kecil. Akhirnya biogas menumpuk pada ruang bakar, pembakaran menjadi tidak efisien yang ditunjukkan  dengan  turunnya  putaran  dan  di  ikuti  dengan  turunnya  daya  yang  dihasilkan  mesin genset.
Berikut  gambar  7  yang  menunjukkan  besarnya  daya  yang  dihasilkan  oleh  premium  dan biogas.

## Gambar 7 Grafik Perbandingan Daya Premium dan Biogas

## 4.2 Torsi
Pada  bahan  bakar  premium  jika  jumlah  lampu  beban  daya  ditambah,  maka  torsi  yang dihasilkan semakin besar. Pada premium dengan beban 1 lampu mesin genset mengeluarkan putaran keluaran sebesar 4049,5 rpm torsi sebesar 0,269 Nm, dan pada beban 5 lampu putaran keluar sekitar 4458,5 rpm torsi 1,019 Nm.
Dari  gambar  8  dapat  kita  lihat  bahwa  torsi  yang  dihasilkan  biogas  beban  2 lampu  sampai 4 lampu  tidak  begitu  jauh  berbeda,  namun  saat  genset  berbahan  bakar  biogas  diberi  beban  5  lampu, torsinya  menurun  dibandingkan  premium.  Torsi  menurun  disebabkan  oleh  putaran  yang  dihasilkan mesin menurun.
Gambar 8 Grafik Perbandingan Torsi Premium dan Biogas

## 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Pada  bahan  bakar  premium  dan  biogas,  jika  jumlah lampu  beban  daya  ditambah  maka  nilai sfc semakin kecil.
Dari  gambar  9  dibawah  dapat  kita  lihat  bahwa  biogas  memiliki  nilai  sfc  lebih  besar dibandingkan dengan premium. Hal ini dikarenakan laju bahan bakar pada bahan bakar biogas lebih besar daripada premium.
Nilai sfc yang paling besar ditunjukkan oleh bahan bakar biogas pada beban 1 lampu dengan daya  sekitar  107,25  Watt  pada  putaran  4188,5  rpm  yaitu  sekitar  16037,30  g/kW.h.  Dan  nilai  sfc terkecil ditunjukkan oleh bahan bakar premium pada beban 5 lampu dengan daya sekitar 517,635 W pada putaran 4458,5 rpm yaitu sekitar1437,31 g.kW.h.

## Gambar 9 Grafik Perbandingan Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Premium dan Biogas

## 4.4 Efisiensi Termal Brake
Pada  bahan  bakar  premium  dan  biogas,  jika  jumlah lampu  beban  daya  ditambah  maka  nilai efisiensi termal nya semakin besar.
Dari gambar 10 dibawah menunjukkan bahwa premium memiliki nilai efisiensi termal brake lebih  besar  dibandingkan  dengan  biogas.  Hal  ini  dikarenakan  laju  bahan  bakar  pada  bahan  bakar biogas lebih besar daripada premium.
Gambar 10 menunjukkan  efisiensi termal tertinggi berada pada bahan bakar premium dengan beban  5  lampu  saat  daya  keluaran  517,635  W  saat  putaran  sebesar  4458,5  rpm  yaitu  5,87%.  Dan efisiensi  termal  terendah  ditunjukkan  oleh  bahan  bakar  biogas  dengan  beban  1  lampu  saat  daya keluaran sebesar 107,25 W saat putaran 4188,5 rpm yaitu 1,31%.

## Gambar 10 Grafik Perbandingan Efisiensi Thermal Brake Premium dan Biogas

## 4.5 Rasio Udara Bahan Bakar
Pada  bahan  bakar  premium  dan  biogas,  jika  jumlah lampu  beban  daya  ditambah  maka  nilai AFR nya semakin kecil.
Gambar 11  menunjukkan pada AFR tertinggi dimiliki oleh bahan bakar premium pada beban 1 lampu saat putaran sebesar 4049,5 rpm dan daya keluaran sebesar 114,1 watt yaitu 18,68. Dan AFR terendah  ditunjukkan  oleh  biogas  pada  beban  5  lampu  saat  putaran  sebesar  3898,5  rpm  dan  daya keluaran sebesar 424,74 watt yaitu 4,5.

## Gambar 11 Grafik Perbandingan Rasio Udara Bahan Bakar Premium dan Biogas

## 5. KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah: Bahan bakar biogas dapat menghasilkan daya dan torsi maksimum sebesar 424,74 Watt dan 1,04  Nm  pada  mesin  genset  otto.  Daya  dan  torsi  ini  sekitar  42%  dan  49%  dari  daya  dan  torsi maksimum yang bisa dihasilkan premium dengan mesin yang sama.
Nilai laju bahan bakar pada biogas yang lebih besar dari pada premium mengakibatkan nilai konsumsi  bahan  bakar spesifik  biogas  lebih  besar  dan  nilai efisiensi  termal  brake  biogas lebih  kecil daripada  bahan  bakar  premium.  Nilai  konsumsi  bahan  bakar  spesifik  terkecil  dihasilkan  oleh  bahan bakar  premium  pada  beban  500  Watt  putaran  4458,5  rpm  yakni  sebesar  1437,31  g/kWh.  Dan  nilai konsumsi  bahan  bakar  spesifik  terbesar  dihasilkan  oleh  bahan  bakar  biogas  pada  beban  100  Watt putaran  4188,5  rpm  yakni  sekitar  16037,3  g/kWh.  Efisiensi  thermal  brake  terkecil  dihasilkan  oleh bahan  bakar  biogas  pada  beban  100  Watt  putaran  4188,5  rpm  yakni  sebesar  1,31%.  Dan  efisiensi thermal  brake  terbesar  dihasilkan  oleh  bahan  bakar  premium  pada  beban  500  Watt  putaran  4458,5 rpm yakni sekitar 5,87%.
Pada proses pembakaran, bahan bakar biogas memerlukan udara yang lebih sedikit daripada bahan  bakar  premium.  Rasio  udara  bahan  bakar  (AFR)  terendah  terjadi  pada  pengujian  dengan menggunakan bahan bakar biogas pada beban daya 500 Watt putaran mesin 3898,5 rpm yaitu sebesar 4,5.  Sedangkan  AFR  tertinggi  terjadi  pada  pengujian  dengan  menggunakan  bahan  bakar  premium pada beban daya 100 Watt putaran mesin 4049,5 rpm yaitu sebesar 18,67.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] http://www.useia.org.2013
[2] http://www.esdm.org.2012
[3] Siregar, Parpen. 2009. Produksi Biogas Melalui Pemanfaatan Limbah Cair Kelapa Sawit dengan Digester Anaerob
[4] http://wikipedia.org.2014
[5]    Nandiyanto,  Asep  Bayu.  2007. Biogas  Sebagai  Peluang  Pengembangan    Energi  Alternatif. Jurnal Energi Alternatif
[6]    Omid, Mirzamohammad, Assadi.2011. Literature Review and Map for Using Biogas in Internal Combustion Engines . University of
Stavanger Norway.
[7]    Marchaim. 2012. Stage anaerobic digestion [8]    Barik dan Murugan.2012. Production And Application Of Biogas As Gaseous Fuel For Internal Combustion . NIOT. India
[9]    Ludington David, 2006. Calculating the Heat Value of Biogas . New York.
[10]   Arismunandar, Wiranto. Penggerak Mula Motor Bakar Torak . Edisi kelima. Penerbit ITB Bandung, 1998
[11]  Pulkrabek, Willard W . Engineering Fundamentals Of The Internal Combustion Engine . Prentice Hall, New Jersey