## Rancang Bangun Pembangkit Listrik Skala Kecil Berbasis Mesin Stirling
Rany Puspita Dewi*, Wandi Arnandi
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Tidar Jl. Kapten Suparman 39, Magelang 56116 Telp. (0293) 364113 *E-mail: ranypuspita@untidar.ac.id

## Abstract
Electricity needs has increased along with the increasing of people. Majority comes from fossil energy. Utilization of biomass energy from rice husk became prospective solution to fulfill electricity needs now days. It can be seen from the rice husk potential in Indonesia at 2015 for about 15,079,568 tons. Rice husk can be used to generate the electricity by using stirling engine. The research aims to study the effect of combustion air flow to the efficiency of biomass power plants based on stirling engine. It was to know the optimum condition the power plant. Research was done by experimental method with design and test the prototype of biomass power plant integrated with downdraft gasifier and alternator. Test was done by variating combustion air flow with open valve angle about 30  ; 45  ; and 60  . The highest temperature was obtained at an open valve angle 30  and with stirring.
Keywords: rice husk, gasifier, electricity, stirling engine

## Abstrak
Kebutuhan  listrik  terus  meningkat  seiring  dengan  meningkatnya  jumlah  penduduk.  Mayoritas  listrik yang  digunakan  berasal dari  energy  fosil.  Penggunaan  energi  biomassa  yang  berasal  dari  sekam  padi menjadi solusi prospektif untuk memenuhi kebutuhan listrik saat ini. Hal ini terlihat dari potensi sekam padi  di  Indonesia  pada  tahun  2015  yaitu  sekitar  15.079.568  ton.  Sekam  padi  dapat  digunakan  utnuk membangkitkan  energi  listrik  dengan  menggunakan  mesin  stirling.  Tujuan  penelitian  adalah  untuk mengkaji pengaruh laju udara pembakaran terhadap efisiensi pembangkit listrik biomassa berbasis mesin stirling. Hal ini bertujuan untuk mengetahui kondisi optimum pembangkit listrik. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dengan rancang bangun dan pengujian prototype pembangkit listrik yang terintegrasi  dengan  tungku  gasifikasi downdraft dan  alternator.  Pengujian  dilakukan  dengan memvariasikan laju udara pembakaran pada sudut kran 30  ; 45  ; and 60  . Temperatur tertinggi diperoleh pada sudut buka kran 30º dan dengan dilakukan pengadukan.
Kata kunci: sekam padi, tungku gasifikasi, listrik, mesin stirling

## 1. Pendahuluan
Listrik menjadi salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan manusia. Pada tahun 2015 misalnya, konsumsi energi listrik meningkat sebesar 11.224 MWh dengan bertambahnya jumlah penduduk sebesar 3.296.900 [1]. Rasio elektrifikasi yang masih rendah juga menunjukkan masih banyaknya wilayah di Indonesia yang belum terjangkau listrik. Pemerintah mengeluarkan kebijakan terkait dengan energi terbarukan sebagai salah satu energi alternative dengan target 23% pada tahun 2025. Salah satu sumber biomasa yang belum dimanfaatkan secara optimal dan memiliki potensi yang menjanjikan adalah sekam padi. Sekam padi memiliki nilai volatile matter 69,39% dan nilai kalor 3386,3 kalori/kg [2]. Selain sekam padi  juga  memiliki  selulosa  yang  cukup  tinggi  untuk  dapat  memberikan  pembakaran  yang  merata  dan  stabil  [3]. Pembangkitan  listrik  dengan  sekam  padi  sudah  mulai  dikembangkan  di  Indonesia.  Pembangkit  listrik  cenderung berukuran besar dan kurang praktis apabila digunakan dalam skala rumah tangga. Pemanfaatan sekam padi sebagai energi listrik  dapat  dilakukan  dengan  teknologi  gasifikasi.  Metode  lainnya  adalah  dengan  menggunakan  mesin  stirling  [4]. Pengembangan  dan  kajian  tentang  pembangkit  listrik  sekam  padi  diperlukan  dalam  upaya  pemanfaatan  sekam  padi sebagai salah satu bahan bakar alternatif pengganti gas LPG untuk penggunaan pada skala rumah tangga. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengaruh kondisi operasi pembangkit listik terhadap karakteristik temperatur syngas.
Sekam padi merupakan lapisan keras yang meliputi bulir beras dan diperoleh pada saat proses penggilingan beras. Sekam padi dapat didefinisikan sebagai biomassa. Sekam padi tersusun atas dua bagian yaitu bagian  organik (70-85%) dan bahan anorganik dengan komponen utama lain berupa lignin dan selulosa. Kadar selulosa yang tinggi pada sekam padi dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil. Selama ini 20-30% sekam padi hanya sebatas digunakan sebagai  media  tanam  dan  dibakar  begitu  saja  sehingga  dapat  menimbulkan  pencemaran  lingkungan.  Sekam  padi berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif untuk mengurangi ketergantungan terhadap energi fossil, salah satunya digunakan sebagai umpan gasifier . Ketersediaan sekam padi di dunia berkisar 1,2 x 10 9 GJ/tahun dengan nilai kalor rata-rata 15 MJ/kg [5].
Gasifikasi merupakan proses konversi biomassa padat menjadi gas melalui proses termokimia dengan menggunakan reactor gasifier . Salah satu jenis gasifier yang sering digunakan dalam proses gasifikasi adalah gasifier tipe downdraft . Proses gasifikasi pada gasifier tipe downdraft meliputi pengeringan ( drying ), pirolisis, oksidasi ( oxydation ), dan reduksi ( reduction ). Keuntungan gasifier tipe downdraft adalah dapat digunakan pada proses gasifikasi yang terintegrasi dengan adanya  penambahan  pengeluaran  sisa  hasil  pembakaran  (abu)  yang  baik.  Gasifikasi  sekam  padi  dapat  terjadi  dengan pemenuhan  kebutuhan  30-40%  udara  stokiometri  (4,7  kg  udara/kg  sekam  padi).  Faktor-faktor  yang  mempengaruhi gasifikasi  biomassa [6] meliputi  kandungan  energi  biomassa,  kandungan air  biomassa,  bentuk  serta  ukuran  biomassa, distribusi ukuran biomassa, dan temperatur reaktor gasifikasi.
Gas  yang  dihasilkan  dari  proses  gasifikasi  dapat  dikonversi  menjadi listrik dengan menggunakan mesin  stirling. Mesin stirling merupakan mesin kalor yang beroperasi ekspansi dan kompresi termal gas untuk mengasilkan kerja [7]. Pada penelitian ini menggunakan mesin stirling tipe beta yang beroperasi berdasarkan siklus stirling. Siklus stirling ideal terdiri dari empat proses termodinamika yaitu proses ekspansi dan kompresi isothermal dan pemanasan dan pendinginan pada  volume  tetap.  Efisiensi  mesin  stirling  dapat  ditingkatkan  dengan  memperbesar  beda  temperatur  antara  ruang pemanas dan pendingin, dan memperkecil dead volume [8].

## 2. Material dan metode penelitian
Diagram alir penelitian ditunjukkan pada Gambar 1. Proses pelaksanaan penelitian terjadi beberapa tahap meliputi persiapan alat dan bahan; perancangan alat dengan menggunakan software AutoCAD sesuai dengan hasil dari perhitungan numeris; pembuatan alat sesuai dengan rancangan; pengumpulan data temperature syngas dengan tiga variasi laju udara; analisis data dan penarikan kesimpulan.
Sekam  padi  yang  digunakan  diperoleh  dari  tempat  penggilingan  padi  di  Dusun  Jetakan,  Desa  Jogonegoro, Kabupaten Magelang. Sebelum digunakan sebagai umpan gasifie r, terlebih dahulu dilakukan pengukuran dan pengujian untuk mengetahui  sifat  fisis  dan  komposisi  sekam  padi.  Penelitian  diawali  dengan  melakukan  pengujian  karakteristik proksimat dan ultimat sekam padi. Uji komposisi dan nilai kalor sekam padi dilakukan di laboratorium LPPT Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Uji kadar air dan kadar abu menggunakan metode gravimetric dan uji nilai kalor menggunakan metode bomb calorimeter . Hasil pengukuran sifat fisis dan uji komposisi sekam padi yang digunakan ditunjukkan dalam Tabel 1. Pemeriksaan sifat bahan biomassa ini diperlukan sebelum merancang sebuah proses gasifikasi [9].
Model yang digunakan dalam penelitian ini adalah prototip pembangkit listrik tenaga sekam padi berbasis mesin stirling seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Skema alat penelitian
Tabel 1. Karakteristik sekam padi yang digunakan
Parameter Nilai Massa jenis 165,8 kg/m 3 Panjang bulir ±1 cm Nilai kalor 3060,21 kal/g Kadar air 9 % Kadar abu 37,98 % Kadar karbon 24,42 %
Teknik  pengumpulan  data  dilakukan  melalui  pengamatan  selama  pengujian  alat.  Analisa  data  dilakukan  dalam bentuk grafik daya dan efisiensi sistem terhadap waktu pada berbagai variasi laju udara pembakaran untuk mendapatkan kondisi operasi kerja optimum pembangkit listrik tenaga biomassa sekam padi berbasis mesin stirling.

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Melalui  perhitungan  numeris  dimensi  tungku  gasifikasi,  maka  diperoleh  konstruksi  tungku  gasifikasi  untuk pembangkit listrik tenaga biomassa seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Tungku gasifikasi terdiri dari beberapa bagian yaitu saluran udara, pengaduk, blower , reaktor, saluran syngas , kran utama, dan penampung abu. Tungku gasifikasi yang digunakan  merupakan  tungku  gasifikasi  tipe downdraft dengan  tujuan  untuk  mengurangi  kandungan  tar  hasil  proses gasifikasi. Spesifikasi gasifier yang dirancang ditunjukkan pada Tabel 2.
Temperatur  syngas  diukur  dengan  cara melakukan  variasi laju  udara pembakaran  dengan  pembukaan  sudut  kran 30 o , 45 o , dan 60 o . Untuk tiap variasi laju udara, temperatur syngas diukur menggunakan thermocouple tipe K dan dicatat setiap  5 menit  selama  waktu  pengoperasian  (sejak  tungku  dinyalakan  sampai  sekam  padi  dalam reaktor habis)  sambil dilakukan penyalaan syngas . Gasifier tipe downdraft dipilih dengan tujuan untuk mengurangi kandungan tar hasil dari proses gasifikasi dan memiliki tingkat efisiensi konversi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tipe gasifier yang lain.
Tabel 2 . Spesifikasi gasifier Parameter Spesifikasi Tipe Downdraft throatless Diameter reaktor 170 mm Tinggi reaktor 400 mm Kapasitas reaktor 1 kg Nozel 4 buah,  Jarak saluran udara dengan grate 85 mm Blower 2” 150 W
Laju  rata-rata  udara  yang  keluar  dari  keempat  nozel  yang  diukur  menggunakan  anemometer  ditunjukkan  dalam Tabel  3.  Penggunaan  udara  sebagai gasifying  agent sering  digunakan  dikarenakan  lebih  murah  dibandingkan  dengan gasifying agent lainnya. Biasanya suplai udara yang digunakan diperoleh dari blower [10].
Tabel 3 . Laju udara Sudut kran Laju udara (m/s) 1 2 3 4 30 o 1,2 0,9 0,5 1,5 45 o 2,2 2,7 2,2 2,2 60 o 3,2 3,1 3,2 3,2
Untuk tiap variasi laju udara, temperatur syngas diukur menggunakan thermocouple tipe K dan dicatat setiap 5 menit selama  waktu  pengoperasian  (sejak  tungku  dinyalakan  sampai  sekam  padi  dalam  reaktor  habis)  sambil  dilakukan penyalaan syngas . Prosedur  penyalaan gasifier meliputi  beberapa  proses  yaitu  memasukkan  sekam  padi  ke  dalam  reaktor gasifier sampai pada batas daerah oksidasi; menyalakan sekam padi dengan sedikit pemantik agar mudah terbakar; menghidupkan blower sebagai penyuplai udara; membuka sedikit kran utama; menambahkan sekam padi sedikit demi sedikit sampai seluruh reaktor terisi; menutup rapat reaktor, setelah sekam padi mulai menunjukkan adanya bara api; membuka kran utama sesuai dengan variasi laju udara yang telah ditentukan; dan mencatat temperatur syngas yang keluar setiap 5 menit dengan  menggunakan thermocouple tipe  K.  Prosedur  penyalaan  ini  berlaku  untuk  dua  mode  operasi  yaitu  tanpa melakukan pengadukan sekam padi dan dengan melakukan pengadukan sekam padi.
Gambar  4  dan  Gambar  5  memperlihatkan karakteristik  temperatur syngas hasil  pengujian gasifier dalam  2 mode operasi. Pada mode operasi 1, Pada saat sudut buka kran 30º, rata-rata temperatur syngas adalah 94,48ºC. Pada sudut buka kran 45º, rata-rata temperatur syngas adalah 105,39ºC. Dan pada sudut buka kran 60º, rata-rata temperatur syngas adalah 113,48ºC.  Pada  mode  ini,  temperatur syngas masih  rendah,  hal  ini  dikarenakan  proses  gasifikasi  yang  terjadi  belum sempurna. Pada 40 menit pertama temperatur syngas cenderung naik, kemudian turun hingga menit ke 145. Setelah 145 menit  waktu  pengoperasian, syngas tidak  lagi  keluar  melalui  saluran  gas.  Kondisi  ini  kemungkinan  disebabkan  oleh tertutupnya lubang grate akibat pemadatan abu sekam yang mengakibatkan aliran syngas terhalang. Lubang grate yang dirancang pada gasifier dinilai masih terlalu kecil untuk dapat menyalurkan residu abu selama proses gasifikasi terjadi. Pada mode operasi 1, terlihat bahwa temperatur pembakaran juga tidak stabil, disebabkan karena distribusi sekam padi dalam tungku tidak merata dikarenakan pada mode 1 ini tidak dilakukan pengadukan sekam padi.
Gambar 4. Karakteristik syngas mode 1
Gambar 4 menunjukkan bahwa temperatur syngas berbanding lurus dengan laju udara, semakin besar laju udara, temperatur syngas semakin tinggi. Hal ini dikarenakan komposisi oksigen yang diberikan semakin tinggi dan semakin banyak sekam padi yang terbakar. Selain itu, hal ini juga dikarenakan pada laju udara yang semakin besar, equivalence ratio meningkat. Nilai equivalence ratio yang meningkat dapat meningkatkan komposisi gas CO 2 dan H 2 O dikarenakan proses pembakaran yang terjadi mendekati proses pembakaran sempurna. Pada mode operasi ini, nyala api syngas tidak terbentuk. Tidak terjadinya nyala api disebabkan kehadiran gas CO 2 dan H 2 O mengakibatkan presentase dari gas yang
terbakar CO  dan  H 2 turun  sehingga heating value juga  mengalami  penurunan.  Fluktuasi temperatur syngas juga  salah satunya  dipengaruhi  oleh  ketidakseragaman  kadar  air  yang  terkandung  dalam  sekam  padi,  sehingga  menyebabkan terjadinya perbedaan kecepatan pembakaran sekam padi pada saat proses oksidasi.
Gambar 4. Karakteristik syngas mode 2
Pada  sudut  buka  kran  30º,  temperatur syngas meningkat tajam  di  beberapa  menit  setelah  tungku  dinyalakan  dan kembali turun pada menit ke-20 sesuai dengan Gambar 5. Temperatur syngas mengalami fluktuasi nilai dimungkinkan karena terjadinya  distribusi  panas  yang  tidak  merata  di  dalam reaktor.  Pada  sudut  buka  kran  45º  dan  60º,  temperatur syngas tidak mengalami kenaikan yang cukup signifikan yaitu berkisar antara 50ºC - 180ºC. Pada saat sudut buka kran 30º, rata-rata temperatur syngas adalah 374,44ºC. Pada sudut buka kran 45º, rata-rata temperatur syngas adalah 113,33ºC. Pada sudut buka kran 60º, rata-rata temperatur syngas adalah 127,06ºC.
Pengadukan  pada  mode  2  yang  dilakukan  dengan  menggunakan  pengaduk  dari  arah  vertikal  dinilai  kurang maksimal. Hal ini dikarenakan terdapat ruang kosong pada reaktor, karena pengadukan yang dilakukan tidak merata ke seluruh  bagian reaktor  dan hanya  menjangkau  bagian atas reaktor.  Pengadukan  yag  tidak  seragam  ini mengakibatkan sebagian besar sekam padi tertahan dan syngas yang keluar tidak sebanyak  yang seharusnya dihasilkan selama proses gasifikasi. Zona proses reduksi akan berkurang dan bahkan cenderung tidak ada, sehingga tidak menghasilkan syngas . Pada  mode  2,  pembakaran  gas  burner  hasil  proses  gasifikasi  masih  belum  stabil,  kadang  terbentuk  dan  kadang hilang. Hal ini disebabkan karena proses gasifikasi yang terjadi belum berjalan dengan cukup baik. Tidak stabilnya syngas yang dihasilkan kemungkinan juga disebabkan oleh besarnya laju udara yang disuplai oleh blower ke dalam gasifier . Hal ini dapat diminimalisasi dengan menstabilkan proses gasifikasi dengan memperbaiki laju aliran sekam padi ke daerah reduksi. Selain itu, bahan yang digunakan sebagai insulator gasifier dinilai juga masih belum terlalu efektif, karena masih adanya rugi-rugi panas selama proses gasifikasi. Hal ini dapat menjadi kajian lebih lanjut pada penelitian yang selanjutnya dengan menggunakan insulator dari bahan-bahan yang lain.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil kajian dapat diambil kesimpulan bahwa nilai equivalence ratio yang meningkat dapat menurunkan jumlah gas terbakar yang terbentuk. Jumlah gas terbakar yang terbentuk dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah bahan bakar untuk mengimbangi nilai equivalence ratio yang tinggi. Temperatur tertinggi diperoleh ketika syngas dapat menyala, yaitu pada sudut buka kran 30º dan dengan dilakukan pengadukan.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Direktorat  Riset  dan  Pengabdian  Masyarakat  Kementerian  Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi yang telah mendanai penelitian ini, kepada Universitas Tidar dan semua pihak yang terlibat dalam penelitian.

## Daftar Pustaka
[1]  Direktorat  Jenderal  Energi  Baru,  Terbarukan  dan  Konversi  Energi.  Buku  Statistik  EBTKE  2016: http://ebtke.esdm.go.id/download/file  Diakses tanggal 27 April 2017
[2]  Triyanto. 2016. Karakteristik Pembakaran Biobriket Campuran Ampas Aren, Sekam Padi, dan Batu Bara Sebagai Bahan Bakar Alernatif. Media Mesin: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin; 17 (1): 1-7.
[3]  Tajjali.  2015.  Panduan  Penilaian  Potensi  Biomassa  Sebagai  Sumber  Energi  Alternatif  di  Indonesia.  Penabulu Alience.
[4]  Damirchi  H.,  Najafi,  G.,  Alizadehnia,  S.,  Mamat,  R.,  Azwadi,  C.S.N.,  Azmi,  W.H.,  Noor,  M.M.  2016.  Micro Combined  Heat  and  Powe r to  provide  heat and  electrical  power  using  biomass  and  Gamma-tye  Stirling  engine. Applied Thermal Enginering; 103: 1460-1469.
[5]  Saputra,  N.  2016.  Pengaruh  Variasi  Kecepatan  Udara  Terhadap  Kinerja  Tungku  Gasifikasi  Sekam  Padi  Tipe Downdraft Kontinu. Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[6]  Belonio, A T. 2005. Rice Husk Gas Stove Handbook . Appropriate Technology Center, Department of Agricultural and Environmental Management. Phillipines.
[7]  C C Kwasi-Effah, A I Obanor, F A Aisien. 2015. Stirling Engine Technology: A Technical Approach to Balance The  Use  of  Renewable  and  Non-Renewable  Energy  Sources.  American  Journal  of  Renewable  and  Sustainable Energy; 1 (3): 156-165.
[8]  Asnaghi A, Ladjervadi S M , Izadkhast P S, Kashani A H. 2012. Thermodynamics Performance Analysis of Solar Stirling Engines. ISRN Renewable Energy; 2012: 1-14.
[9]    Asian Biomass Handbook. 2008. The Asian Biomass Handbook . The Japan Institute of Energy. Japan
[10]  Suliono, Sudarmanta B. Dionisius F, Maolana I. 2017. Studi Karakteristik Gasifikasi Tipe Downdraft Serbuk Kayu Dengan Variasi Equivalensi Ratio. Jurnal Teknologi Terapan; 3 (2) 2: 37-43.