ECHO Asia Note #19, Desember 2013:

Biogas sebagai Bahan Bakar Mesin

Diesel

Oleh Gordon Hirst, Konsultan; Sebelumnya bekerja sebagai Chief Engineer di Lao Institute for Renewable Energy (LIRE),

Vientiane, Laos.

[Catatan Editor: Semakin meningkatnya popularitas sumber energi alternatif dan terbarukan yang

berasal dari kegiatan pertanian, kami menerima banyak pertanyaan mengenai penerapan biogas

yang bersumber dari pertanian untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin berukuran kecil. Artikel

ini berusaha untuk membahas salah satu kemungkinan penggunaan biogas yang berasal dari pupuk

kandang sebagai bahan bakar untuk mesin diesel kecil]

Pengantar oleh Penulis

Banyak kelompok masyarakat desa-desa terpencil di mana LIRE bekerja yang berada di lokasi-lokasi

yang tidak masuk dalam jaringan distribusi listrik. Saya pertama berkenalan dengan pekerjaan

pembangunan masyarakat desa di sebuah rumah sakit pedesaan yang terletak di sebelah utara

Vientiane, Republik Demokratik Rakyat Laos. Meskipun terletak di lokasi yang terpencil, baru-baru ini

rumah sakit tersebut memasang mesin pengolah biogas bawah tanah bervolume 10 m yang akan

digunakan untuk memasak di rumah sakit dan di rumah dokter. Bahan baku yang digunakan

dihasilkan oleh 20 ekor sapi milik rumah sakit ini. Rumah sakit ini juga memiliki mesin diesel kecil

buatan China dengan kapasitas 10 kW, yang telah terhubung ke sebuah generator dengan sumber

tunggal atau sumber tegangan AC untuk memberikan penerangan dan mengisi ulang baterai ponsel

selama beberapa jam di malam hari.

Tugas saya adalah menggunakan gas yang dihasilkan oleh pengolah biogas untuk menjalankan mesin

diesel tersebut; tugas ini mengawali sebuah program pembangunan yang mendatangkan frustasi

namun sekaligus memberikan pencerahan. Upaya-upaya awal yang masih mentah ini semakin

diperkaya dengan proyek serupa yang saya lakukan belakangan selama menjalankan tugas di Laos

Institute for Renewable Energy (LIRE) (http://lao-ire.org/) atas nama FACT Foundation

(http://www.fact-foundation.com).

Dalam artikel ini, saya membagikan pengalaman saya dalam proses pembangunan ini. Tentu saja

pengalaman ini tidak sempurna dan mungkin juga tidak 100% benar secara ilmiah. Namun

pelajaran-pelajaran nyata ini saya dapatkan dari pengalaman menjalankan uji coba di daerah

terpencil dengan sumber daya yang sangat terbatas. Saya juga berusaha untuk menyampaikannya

secara sederhana dan menghindari penggunaan istilah-istilah teknis.

http://lao-ire.org/

Ringkasan

Menjalankan sebuah mesin diesel dengan bahan bakar biogas benar-benar DAPAT dilakukan; namun

ada sejumlah faktor yang harus diperhitungkan sebelum hal ini dijadikan sebagai pilihan yang serius

dalam sebuah program pembangunan. Artikel ini akan membahas beberapa pertimbangan pokok

yang diperlukan ketika mencoba untuk membakar biogas di dalam sebuah mesin diesel.

Informasi Dasar Mengenai Latar Belakang

Pertama, membedakan berbagai jenis mesin diesel adalah hal yang penting. Menjalankan mesin-

mesin diesel cukup mirip satu sama lain dan telah berlangsung di sekitar kita sejak Rudolf Diesel

pertama kali mengembangkan mesin tersebut tahun 1800-an. Mesin-mesin ini mengandalkan

pemantik melalui kompresi (CI) dari sejumlah kecil bahan bakar solar yang disuntikkan ke dalam

ruang pembakaran. Pada waktu yang bersamaan, sebuah katup dibuka untuk memungkinkan udara

mengalir ke dalam ruang pembakaran. Katup kemudian tertutup dan piston mengempa campuran

tersebut. Ketika udara/campuran bahan bakar tersebut mencapai 'titik stoikiometri' (yaitu titik di

mana rasio bahan bakar: udara cukup untuk melakukan pembakaran kimiawi), maka campuran ini

menyala di bawah tekanan yang tercipta pada saat piston mencapai posisi paling atas dalam gerakan

piston/Top Dead Centre (TDC), yang normalnya ada di sekitar rasio kompresi 17:1. Saat campuran

menyala, piston dipaksa bergerak ke bawah, mendorong batang torak dan dengan demikian

menjalankan mesin. Mesin diesel mobil modern memiliki sistem bahan bakar yang canggih dan

sistem manajemen mesin yang membuat mesin sangat efisien tetapi lebih 'mudah tersinggung';

sehingga memasukkan gas tidak murni (seperti biogas) ke dalam persamaan yang telah ada ini

tentunya akan memicu berbagai masalah.

Motor mekanis kecil yang banyak digunakan di seluruh Asia, yang lebih dikenal dengan sebutan tok

tok, adalah desain yang lebih kasar dan lebih sederhana serta sistem injeksi bahan bakarnya

menggunakan 'injeksi umum' yang sederhana. Bahkan yang lebih sederhana lagi adalah mesin gaya-

Lister, yang diciptakan untuk sanggup mengatasi goncangan apa saja yang menimpanya . Sifat

stasioner dari pengolah biogas berarti bahwa pembangkit listriknya akan bersifat stasioner, sehingga

lebih cocok untuk tok tok atau mesin jenis-Lister yang secara mekanis dapat dihubungkan ke output

(generator/pompa/mesin).

Sistem Bahan Bakar

Berbeda dengan mesin berbahan bakar bensin, mesin diesel tidak memiliki katup

penghambat/penutup (throttle). Sebagai gantinya mesin diesel menggunakan governor yang

mengatur kecepatan mesin. Pada mesin yang lebih canggih, governor ini dapat bersifat

elektro/mekanik, atau hidro/mekanik. Namun, mesin tok tok menggunakan governor yang

sepenuhnya mekanik, sederhana namun berputar dengan efektif. Fungsi governor adalah untuk

menjaga kecepatan mesin tanpa mempedulikan bebannya (jenis governor lainnya dapat

menanggung beban dalam kecepatan berapa saja namun sekali lagi, ini lebih canggih dan lebih

mahal). Governor mengatur permintaan bahan bakar sehingga dapat mempertahankan kecepatan

yang telah ditetapkan. Kecepatan mesin disesuaikan oleh 'rak' yang diatur oleh operator untuk

mencapai kecepatan tertentu yang diinginkan. Oleh sebab itu, sesungguhnya operator menggunakan

posisi rak sebagai pengendali katup penghambat, meskipun fungsinya berbeda dari mesin bensin

karena dalam hal ini yang diatur adalah bahan bakarnya dan bukan udaranya, namun hasil akhirnya

tetap sama. Hal ini penting untuk diketahui, karena ketika kita memperkenalkan biogas ke dalam

sistem, kita mengganti udara yang 'lembam' dengan campuran yang mudah meledak/eksplosif

sehingga seluruh fisika yang terlibat dalam proses pembakarannya benar-benar mengalami

penataan ulang. Untungnya, kita tidak harus lebih dulu menjadi ahli termodinamika supaya dapat

membuat semuanya berjalan. Pada kenyataannya, sistem cenderung menyeimbangkan dirinya

sendiri dan rasio campuran eksplosif tersebut terbentuk secara otomatis.

Jenis Mesin

Biogas tidak dapat menyalakan dirinya sendiri di bawah tekanan/kompresi, sehingga sedikit solar

masih diperlukan untuk pemantik. Berdasarkan penelitian di belakang meja dan eksperimen saya

sendiri, rasio optimal yang dapat dicapai saat menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama

adalah sekitar 20% solar untuk 80% biogas. Menambahkan sedikit solar ke dalam campuran juga

penting untuk melumasi injektor bahan bakar, ini adalah fungsi sekunder solar.

Jika Anda ingin menjalankan sebuah mesin sepenuhnya menggunakan biogas murni, maka

diperlukan sebuah 'mesin gas'. Mesin gas ini pada dasarnya adalah mesin diesel dengan pemantik

percikan, berbeda sekali dengan mesin diesel sejati, yang menggunakan kompresi untuk memantik

campuran bahan bakar/udara. Mesin gas tersedia dalam ukuran relatif kecil, tetapi harganya

cenderung lebih mahal dan sulit dicari dibandingkan mesin diesel biasa. Karena mesin gas memiliki

sistem pemantik, maka mesin tersebut cenderung lebih kompleks. Keunggulan mesin diesel adalah

kesederhanaannya; mesin diesel murni dapat berfungsi dengan mengandalkan unsur-unsur mekanik

saja. Penambahan gulungan, busi, waktu pemantik, dll hanya membuat sistem menjadi lebih

kompleks sehingga lebih menuntut perawatan dan meningkatkan kemungkinan terjadinya kegagalan

mekanis.

Informasi Latar Belakang Biogas

Biogas dapat dimasukkan langsung ke dalam saluran udara masuk yang ada di mesin diesel sehingga

bisa dibakar. Karena menggunakan sistem injeksi rak, maka rak akan secara otomatis menyesuaikan

diri dengan asupan yang diterimanya (Gambar 1). Mungkin nada mesin mengalami perubahan saat

menyesuaikan dengan asupan biogas. Mesin mungkin menunjukkan peningkatan dan/atau

penurunan putaran per menit (rpm), bergantung kepada: a) kondisi mesin dan b) kondisi biogas.

Namun yang terpenting adalah bagaimana pun nada dan RPM-nya, mesin harus terus berjalan

dengan sendirinya.

Gambar 1. Sistem Bahan Bakar Mesin Diesel

Biogas merupakan kombinasi dari berbagai gas. Metana (CH4) adalah gas yang terpenting untuk

menghasilkan tenaga. Kandungan metana mungkin sebanyak 40% sampai 75% dari total volume gas.

Jumlah gas-gas lainnya bervariasi (Tabel 1).

Table 1: Kandungan utama Biogas

Komponen Simbol kimiawi (Unit) Jumlah

Metana CH4 (% vol) 60 -75*

Karbon dioksida CO2 (% vol) 19 - 33

Nitrogen N2 (% vol) 0 - 1

Oksigen O2 (% vol) < 0.5

Uap air H2O (% vol) 6 (@40 C)

Sulfur dioksida H2S (mg/m3) 3.000 10.000

Amonia NH3 (mg/m3) 50 - 100

* variasi musiman

Efek Jangka Panjang Biogas pada Mesin

Meskipun sebagian besar gas penyusun biogas itu tidak berbahaya, terpaparnya komponen-

komponen mesin oleh hidrogen sulfida (H2S) akan merugikan elemen-el