Karakterisasi Termal Energi Biomassa sebagai Bahan Bakar pada Tungku Sistem Organic Rankine Cycle

Abstract

Peningkatan kebutuhan energi listrik seiring perkembangan teknologi telah mendorong tingginya konsumsi bahan bakar pada pembangkit listrik, yang masih didominasi batubara. Penggunaan batubara yang berlebihan telah berdampak negatif pada lingkungan, sehingga pemerintah menerapkan cofiring; namun, substitusi biomassa tetap terbatas pada 1-5%. Organic Rankine Cycle (ORC) muncul sebagai solusi potensial dengan memanfaatkan fluida kerja organik yang memerlukan energi lebih rendah untuk mengubahnya menjadi uap, sehingga mengurangi penggunaan bahan bakar. ORC juga mendukung pemanfaatan energi terbarukan seperti biomassa, yang merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui. Indonesia memiliki potensi biomassa yang besar, di antara potensi biomassa di Indonesia, pemanfaatan tanaman energi sebagai sumber energi biomassa telah digalakkan. Tiga tanaman energi yang diprioritaskan saat ini adalah kaliandra, gamal, dan sengon. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi karakteristik termal dari pembakaran energi biomassa (kaliandra, gamal, dan sengon) yang dapat dimanfaatkan untuk penyedia panas pada sistem ORC, menentukan AFR optimal untuk energi biomassa di sistem ORC dan membuat model pembakaran dari energi biomassa pada tungku sistem ORC. Penelitian ini dilaksanakan dari Agustus 2023 hingga September 2024 di Laboratorium Refrigerasi, IPB University. Kayu kaliandra diperoleh dari Hutan Pendidikan Gunung Walat, Sukabumi, sedangkan kayu gamal dan sengon diperoleh dari petani lokal di Desa Cikarawang, Bogor. Dua metode digunakan dalam penelitian ini: eksperimental dengan pengujian langsung pada tungku sistem ORC dan simulasi melalui perhitungan numerik. Validasi dilakukan menggunakan Mean Absolute Percentage Error (MAPE) dengan batas toleransi kesalahan 20%. Penggunaan kayu Kaliandra, Gamal, dan Sengon sebagai bahan bakar pada tungku sistem ORC menghasilkan karakteristik termal yang beragam. Secara umum, karakteristik termal kayu Kaliandra lebih unggul dibandingkan Gamal dan Sengon, sementara Gamal sedikit lebih unggul dibandingkan Sengon. Namun Ketiga jenis kayu ini memiliki efisiensi termal yang tidak berbeda signifikan satu sama lain sehingga ketiganya dapat digunakan sebagai pensuplai termal pada tungku sistem ORC karena mampu memenuhi kebutuhan termal sistem tersebut. Penggunaan bahan bakar dalam bentuk pelet terbukti mampu memperbaiki karakteristik termal pembakaran dibandingkan bentuk serbuk gergaji (sawdust). Nilai AFR (Air-Fuel Ratio) optimum pada tungku sistem ORC diperoleh dari simulasi numerik dengan penambahan excess air dari kondisi AFR stoikiometrik. Nilai AFR optimum untuk Kaliandra, Gamal, dan Sengon masing-masing sebesar 8,11 kg/kg, 7,68 kg/kg, dan 8,04 kg/kg. Hasil prediksi menunjukkan bahwa untuk menghasilkan 1 kWe listrik pada pembangkit listrik sistem ORC dengan efisiensi termal 20% dan pengaturan AFR optimum, penggunaan Kaliandra dalam bentuk pelet memberikan keuntungan dalam penghematan bahan bakar, yaitu hanya membutuhkan 2,90 kg/jam dibandingkan dengan sawdust Sengon yang membutuhkan 4,40 kg/jam. Meskipun demikian, pengoptimalan penggunaan Gamal dan Sengon tetap memungkinkan tergantung pada ketersediaan sumber daya yang ada. Model pembakaran telah mampu menunjukkan karakteristik termal secara teoritis dari pembakaran kaliandra, gamal dan sengon pada berbagai kondisi udara dan berhasil divalidasi dengan data eksperimen dengan Mean Absolute Percentage Error (MAPE) sebesar 9,22% dan error tertinggi 18,93%. Nilai MAPE ini masuk dalam kategori sangat baik, sehingga simulasi dapat digunakan untuk memprediksi parameter-parameter termal lainnya.

The increasing demand for electrical energy, driven by technological advancements, had led to a high consumption of fuel in power plants, which were still predominantly coal-fired. The excessive use of coal had negative environmental impacts, prompting the government to implement co-firing; however, biomass substitution remained limited to 1-5%. The Organic Rankine Cycle (ORC) emerged as a potential solution by utilizing organic working fluids that required lower energy to convert into steam, thereby reducing fuel consumption. ORC also supported the utilization of renewable energy sources, such as biomass, which was a renewable energy resource. Indonesia possessed significant biomass potential. Among the biomass resources in Indonesia, the use of energy crops as biomass energy sources was promoted. Three energy crops that were prioritized included Kaliandra, Gamal, and Sengon. This study aimed to evaluate the thermal characteristics of biomass energy combustion (Kaliandra, Gamal, and Sengon) as a heat source for ORC systems, determine the optimal AFR for biomass energy in ORC systems, and develop a combustion model for biomass energy in ORC system furnace. This research was conducted from August 2023 to September 2024 at the Refrigeration Laboratory, IPB University. Kaliandra wood was sourced from the Gunung Walat Education Forest, Sukabumi, while Gamal and Sengon wood were obtained from local farmers in Cikarawang Village, Bogor. Two methods were used in this study ie: experimental testing in the ORC system furnace and simulations through numerical calculations. The methods were validated using the Mean Absolute Percentage Error (MAPE) with an error tolerance of 20%. The use of Kaliandra, Gamal, and Sengon wood as fuel in ORC system stoves produces diverse thermal characteristics. Overall, the thermal characteristics of Kaliandra wood are superior to those of Gamal and Sengon, with Gamal slightly outperforming Sengon. However, the thermal efficiency of these three types of wood does not differ significantly, making all of them suitable as thermal suppliers for ORC system stoves, as they meet the system's thermal requirements. The use of pelletized fuel has been shown to improve thermal combustion characteristics compared to sawdust. The optimum AFR (Air-Fuel Ratio) for ORC system stoves is obtained through numerical simulations with the addition of excess air beyond the stoichiometric AFR conditions. The optimum AFR values for Kaliandra, Gamal, and Sengon are 8,11 kg/kg, 7,68 kg/kg, and 8,04 kg/kg, respectively. Prediction results indicate that to generate 1 kWe of electricity in an ORC system power plant with 20% thermal efficiency and optimum AFR settings, using Kaliandra in pellet form is more fuel-efficient, requiring only 2,90 kg/hour compared to Sengon sawdust, which requires 4,40 kg/hour. Nevertheless, optimizing the use of Gamal and Sengon remains feasible depending on resource availability. The combustion model has successfully demonstrated the theoretical thermal characteristics of Kaliandra, Gamal, and Sengon combustion under various air conditions and has been validated with experimental data, achieving a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 9,22% and a maximum error of 18,93%. This MAPE value falls into the "excellent" category, indicating that the simulation can reliably predict other thermal parameters.