Biomassa - Pengertian, Jenis Kompor dan Gasifikasi

Biomassa adalah energi ter-barukan yang dapat digunakan sebagai bahan bakar yang berasal dari bahan organik yaitu makhluk hidup (non-fosil), seperti kayu, arang, kotoran hewan atau limbah pertanian yang terbentuk dari interaksi karbon dioksida (CO2), udara, air, tanah dan sinar matahari. Biomassa merupakan produk fotosintesa dimana energi yang diserap digunakan untuk mengkonversi karbondioksida dengan air menjadi senyawa karbon, hidrogen, dan oksigen. Biomassa tersusun dari tiga komponen, yaitu selulosa (40% - 50%), hemiselulosa (20% - 30%), lignin (20% - 25%), dan beberapa kandungan lainnya, dengan perbedaan rasio yang bermacam-macam tergantung dari jenis biomassa itu sendiri.

Biomassa merupakan bahan-bahan organik berumur relatif muda dan berasal dari tumbuhan, hewan, produk dan limbah industri budidaya (pertanian, perkebunan, kehutanan, peternakan, perikanan). Biomassa termasuk juga residu hutan dan pabrik, tanaman pertanian dan limbah, kayu dan kayu limbah, kotoran hewan, residu operasi ternak, tanaman air, cepat tumbuh pohon dan tanaman, sampah kota dan industri. Unsur utama dari biomassa adalah bermacam-macam zat kimia (molekul) yang sebagian besar mengandung atom karbon (C). Komposisi elementer biomassa bebas abu dan bebas air kira-kira 53% massa karbon, 6% hidrogen dan 42% oksigen, serta sedikit nitrogen, fosfor dan belerang (biasanya masing-masing kurang dari 1%). Kadar abu kayu biasanya kurang dari 1%.

Biomassa mengandung energi potensial yang dapat diubah menjadi berbagai macam energi lain, misalnya energi panas. Hasil proses pembakaran biomassa dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air yang menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin pembangkit tenaga listrik. Biomassa sebagai sumber energi terbarukan dengan kelebihan yaitu tidak memiliki kontribusi terhadap emisi gas efek rumah kaca pada atmosfer, hal ini karena gas CO2 dilepaskan selama terjadi pembakaran biomassa sama halnya ketika C02 yang melalui proses fotosintesis pada tanaman. Keunggulan lain dari biomassa adalah harganya yang lebih murah dibandingkan dengan sumber energi lainnya. Kondisi ini dapat terjadi karena jumlahnya yang sangat melimpah dan umumnya merupakan limbah dari suatu aktivitas masyarakat.

Pengertian Biomassa 

Berikut definisi dan pengertian biomassa dari beberapa sumber buku dan referensi: 

• Menurut Diji (2013), biomassa adalah bahan organik, tersedia secara terbarukan, yang diproduksi langsung atau tidak langsung dari organisme hidup tanpa kontaminasi dari zat lain atau limbah. 
• Menurut Basu (2010), biomassa adalah bahan organik yang berasal dari tumbuhan dan hewan yang tersusun dari atom karbon (C), hidrogen (H) dan oksigen (O). Biomassa juga mencakup gas dan cairan dari material non-fosil dan degradasi bahan organik. Pada dasarnya biomassa terbentuk dari interaksi karbon dioksida (CO2), udara, air, tanah dan sinar matahari. 
• Menurut Fisafarani (2010), biomassa adalah istilah yang biasanya digunakan untuk berbagai jenis bahan organik dalam bentuk padat yang dapat digunakan sebagai bahan bakar, seperti kayu, arang, kotoran hewan, limbah pertanian, dan limbah padat lainnya yang dapat terbiodegradasi. 
• Menurut Kong (2010), biomassa adalah energi terbarukan yang berasal dari derivat ternak maupun tumbuhan (dapat ditanam ulang) dan dikenal sebagai energi hijau. 
• Menurut Strezov (2015), biomassa adalah sumber energi yang dapat diperbaharui secara umum berasal dari makhluk hidup (non-fosil), dimana biomassa tersebut meliputi materi yang berasal dari proses biologis bahan organik yang hidup maupun yang mati, baik yang di atas permukaan tanah maupun yang ada di bawah permukaan tanah.

Pembakaran Biomassa 

Pembakaran (combustion) merupakan reaksi oksidasi yang cepat pada temperatur tinggi antara oksigen dengan unsur-unsur bahan bakar yang dapat terbakar. Tujuan utama dari pembakaran, yaitu untuk melepaskan energi dalam bahan bakar, dengan seminimal mungkin terjadi kehilangan yang disebabkan oleh pembakaran yang tidak sempurna dan udara lebih. Agar dapat mengoptimasi dan mengontrol proses pembakaran maka perlu diketahui kondisi-kondisi yang sangat berpengaruh terhadap proses pembakaran, yaitu sebagai berikut:

a. Pengeringan 

Dalam proses ini terjadi penguapan air yang terkandung di dalam bahan bakar biomassa. Waktu yang dibutuhkan untuk mengubah seluruh air menjadi uap air tergantung pada kadar air yang dimiliki oleh biomassa yang digunakan. Semakin rendah kadar airnya, semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan dan semakin besar energi yang dihasilkan untuk pembakaran.

b. Devolatilisasi (pirolisis) 

Tahap berikutnya setelah terjadi pengeringan adalah pirolisis. Dimana setelah pengeringan selesai maka suhu akan mulai meningkat. Ketika suhu meningkat dan panas diabsorpsi oleh partikel biomassa, biomassa terdekomposisi dengan cara bertahap yaitu dimulai dari hemiselulosa, selulosa dan lignin. Akibatnya adalah biomassa akan melepaskan volatile matter dan menyisakan produk padatan. Bila dipandang dari sisi pelepasan volatile matter dari biomassa, fenomena ini disebut dengan devolatilisasi.

c. Pembakaran Padatan Biomassa 

Tahap terakhir dari proses pembakaran suatu bahan bakar padat adalah pembakaran char. Char dan abu akan tersisa setelah proses devolatilisasi selesai terjadi. Char merupakan bahan residu yang miskin akan oksigen dan hydrogen, namun kaya akan karbon. Partikelnya memiliki patahan dan lubang yang disebabkan oleh hilangnya volatile matter dan gas.

Kompor Biomassa 

Kompor biomassa merupakan kompor berbahan bakar padat. Bahan biomassa adalah semua yang berasal dari makhluk hidup seperti kayu, tumbuh-tumbuhan, daun-daunan, rumput, limbah pertanian dan lain-lainnya. Komponen terpenting biomassa yang digunakan untuk pembakaran adalah selulosa dan lignoselulosa. Untuk meningkatkan efisiensi penggunaan biomassa sebagai bahan bakar, maka asap yang dihasilkan pada proses pengarangan harus dibakar lagi untuk kedua kali dan menghasilkan api yang mempunyai nyala yang lebih bersih.

Kompor berbahan bakar biomassa sebenarnya telah ditemukan di sejumlah daerah dan di negara lain. Perbedaan kompor biomassa dengan kompor konvensional lain yaitu, jika kompor konvensional berbahar bakar minyak atau gas, kompor biomassa menggunakan bahan bakar seperti misalnya kayu, plastik, dan daun kering. Uniknya, ketika dibakar dalam kompor biomassa, bahan-bahan itu hampir tidak menimbulkan polusi sehingga ramah lingkungan.

Menurut Sujardi (2012), gambar dan struktur kompor biomassa adalah sebagai berikut:

1. Reaktor. Bagian reaktor berfungsi sebagai tempat bahan bakar biomassa dan tempat dimana proses gasifikasi dan combustion berlangsung. Bagian reaktor ini terdiri dari dua lapis silinder seng yaitu tabung luar dan tabung dalam. 
2. Lubang udara. Kompor biomassa gasifikasi terdapat dua jenis lubang udara yaitu lubang udara primer dan lubang udara skunder. Lubang udara primer mempunyai fungsi membantu proses pembakaran gasifikasi yang akan menghasilkan gas. Lubang udara sekunder mempunyai fungsi pembentukan gas yang dihasilkan dari proses gasifikasi biomassa.
3. Burner. Burner berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran gas hasil gasifikasi yang digunakan untuk memasak, burner juga merupakan tempat masuknya udara sekunder untuk membantu pembakaran gas.Karena itu burner juga tempat menaruh wajan atau panci.

Gasifikasi Biomassa 

Gasifikasi adalah suatu teknologi proses yang mengubah bahan padat menjadi gas. Bahan padat yang dimaksud adalah bahan bakar padat yang termasuk diantaranya biomassa, batubara, dan arang. Gas yang dimasksud adalah gas-gas yang keluar dari proses gasifikasi dan umumnya berbentuk CO, CO2, H2, CH4.

Proses gasifikasi pada hakikatnya menoksidasi suplai hidro karbon pada lingkungan yang terkontrol untuk memproduksi gas sintetis yang memiliki nilai komersial yang signifikan. Gasifikasi merupakan suatu alternatif yang menarik karena proses ini mencegah pembentukan dioksin dan senyawa aromatik, proses gasifikasi juga menghasilkan reduksi utama pada volume input biomassa rata-rata 75%.

Tujuan dari gasifikasi adalah untuk memutuskan ikatan dari molekul komplek ini menjadi gas yang sederhana yaitu Hidrogen dan karbon monoksida (H2 dan CO). Kedua gas ini merupakan gas yang mudah terbakar serta memiliki kerapatan energi dan densitas. Keduanya merupakan gas yang sangat bersih dan hanya memerlukan satu atom oksigen untuk dibakar menghasilkan karbon dioksida dan air (CO2, H2O). Inilah yang menyebabkan pembakaran yang melalui proses gasifikasi memiliki emisi yang lebih bersih.

Keseluruhan proses gasifikasi terjadi di dalam reaktor gasifikasi yang dikenal dengan nama gasifier. Gasifier adalah istilah untuk reaktor yang memproduksi gas produser dengan cara pembakaran tidak sempurna (oksidasi sebagian) bahan bakar biomassa pada temperatur sekitar 1000 C. Di dalam gasifier inilah terjadi suatu proses pemanasan sampai temperatur reaksi tertentu dan selanjutnya bahan bakar tersebut melalui proses pembakaran dengan bereaksi terhadap oksigen untuk kemudian dihasilkan gas mampu bakar dan sisa hasil pembakaran lainnya. Terdapat beberapa jenis gaifier, yaitu sebagai berikut:

a. Up-draft Gasifier 

Tipe yang paling sederhana dari gasifikasi adalah Up-draft. Biomassa dimasukkan dari bagian atas reaktor dan bergerak kebawah menghasilkan gas dan arang, tempat udara masuk berada dibawah dan gas yang dihasilkan keluar ke arah atas. Pada tipe up-draft bahan bakar bergerak berlawanan arah dengan zona aliran gas melewati zona pengeringan, zona distilasi, zona reduksi, dan zona pembakaran.

b. Down-draft Gasifier 

Pada tipe down-draft, biomassa dimasukkan melalui atas begitu pula dengan udara yang masuk. Gas yang dihasilkan akan mengalir ke bawah reaktor, aliran biomassa dan udara searah. Kelebihan dari tipe down draft adalah menghasilkan gas dengan kandungan tar rendah.

c. Cross-draft Gasifier 

Pada tipe cross-draft biomassa dimasukkan melalui atas, udara masuk dan gas yang dihasilkan masing-masing berada pada bagian sisi reaktor. Tipe cross draft digunaan untuk menghasilkan arang hasil pembakaran dengan kualitas tinggi.

Tahapan Proses Gasifikasi 

Proses gasifikasi terdiri dari empat tahapan proses atas dasar perbedaan rentang kondisi temperatur. Proses pengeringan, pirolisis, dan reduksi bersifat menyerap panas (endotermik), sedangkan proses oksidasi bersifat melepas panas (eksotermik). Panas yang dihasilkan dalam proses oksidasi digunakan dalam proses pengeringan, pirolisis dan reduksi. Bahan kering hasil dari proses pengeringan mengalami proses pirolisis, yaitu pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari arang. Hasil pirolisis berupa arang mengalami proses pembakaran dan proses reduksi yang menghasilkan gas produser yaitu, H2 dan CO.

Menurut Pranolo (2010), gasifikasi terdiri dari beberapa tahapan proses, yaitu sebagai berikut:

a. Proses Pengeringan (Drying) 

Reaksi ini terletak pada bagian atas reaktor dan merupakan zona dengan temperatur paling rendah di dalam reaktor yaitu berkisar antara 100 C - 150 C. Proses pengeringan ini sangat penting dilakukan agar pengapian pada burner dapat terjadi lebih cepat dan lebih stabil. Pada reaksi ini, bahan bakar yang mengandung air akan dihilangkan dengan cara diuapkan dan dibutuhkan energi sekitar 2260 kJ untuk melakukan proses tersebut sehingga cukup menyita waktu operasi.

b. Proses Pirolisis 

Pada pirolisis, pemisahan volatile matters (uap air, cairan organik, dan gas yang tidak terkondensasi) dari padatan karbon bahan bakar menggunakan panas yang diserap dari proses oksidasi sehingga pirolisis (devolatilisasi) disebut juga gasifikasi parsial. Suatu rangkaian proses fisik dan kimia terjadi selama proses pirolisis. Komposisi produk yang tersusun merupakan fungsi dari temperatur, tekanan, dan komposisi gas selama proses pirolisi berlangsung. Produk cair yang menguap akibat dari fenomena penguapan komponen yang tidak stabil secara termal mengandung tar dan polyaromatic hydrocarbon. Produk pirolisis terdiri atas gas ringan, tar, dan arang.

c. Proses Reduksi 

Reduksi melibatkan suatu rangkaian reaksi endotermik yang disokong oleh panas yang diproduksi dari reaksi pembakaran. Reaksi reduksi terjadi antara temperatur 500 C sampai 1000 C. Pada reaksi ini, arang yang dihasilkan melalui reaksi pirolisis tidak sepenuhnya karbon tetapi juga mengandung hidrokarbon yang terdiri dari hidrogen dan oksigen. Untuk itu, agar dihasilkan gas mampu bakar seperti CO, H2 dan CH4 maka arang tersebut harus direaksikan dengan air dan karbon dioksida. Pada proses ini terjadi beberapa reaksi kimia, diantaranya adalah Bourdouar reaction, steam-carbon reaction, water-gas shift reaction, dan CO methanation.

d. Proses Oksidasi 

Proses pembakaran mengoksidasi kandungan karbon dan hidrogen yang terdapat dalam bahan bakar dengan reaksi eksotermik, sedangkan gasifikasi mereduksi hasil pembakaran menjadi gas bakar dengan reaksi endotermik. Oksidasi merupakan reaksi terpenting di dalam reaktor gasifikasi karena reaksi ini menyediakan seluruh energi panas yang dibutuhkan pada reaksi endotermik. Proses ini terjadi pada temperatur yang relatif tinggi, umumnya berkisar antara 700 C sampai 1.500 C. Oksigen yang dipasok ke dalam reaktor bereaksi dengan substansi yang mudah terbakar yang menghasilkan produk berupa CO2 dan H2O yang secara berurutan direduksi ketika kontak dengan arang yang diproduksi pada proses pirolisis. Produk lain yang dihasilkan dalam reaksi oksidasi berupa air, panas, cahaya, N2 dan gas lainnya (SO2, CO, NO2, dan lain-lain).

Faktor yang Mempengaruhi Proses Gasifikasi 

Terdapat beberapa faktor yang dapat mempengaruhi proses gasifikasi, yaitu sebagai berikut:

a. Properties Biomassa 

Apabila ada anggapan bahwa semua jenis biomassa dapat dijadikan bahan baku gasifikasi, anggapan tersebut merupakan hal yang naif. Nyatanya tidak semua biomassa dapat dikonversikan dengan proses gasifikasi karena ada beberapa klarifikasi dalam mendefinisikan bahan baku yang dipakai pada sistem gasifikasi berdasarkan kandungan dan sifat yang dimilikinya. Pendefinisian bahan bak gasifikasi ini dimaksudkan untuk membedakan antara bahan baku yang baik dan yang kurang baik. Adapun beberapa parameter yang dipakai dalam menentukan jenis bahan biomassa adalah sebagai berikut: 

1. Kandungan energi. Semakin tinggi kandungan energi yang dimiliki biomassa maka syngas hasil gasifikasi biomassa tersebut semakin tinggi karena energi yang dapat dikonversi juga semakin tinggi.
2. Moisture. Bahan baku yang digunakan untuk proses gasifikasi umumnya diharapkan bermoistur rendah. Karena kandungan moisture yang tinggi menyebabkan heat loss yang berlebihan. Selain itu kandungan moisture yang tinggi juga menyebabkan beban pendinginan semakin tinggi karena pressure drop yang terjadi meningkat. Idealnya kandungan moisture yang sesuai untuk bahan baku gasifikasi kurang dari 20 %. 
3. Debu. Semua bahan baku gasifikasi menghasilkan dust (debu). Adanya dust ini sangat mengganggu karena berpotensi menyumbat saluran sehingga membutuhkan maintenance lebih. Desain gasifier yang baik setidaknya menghasilkan kandungan dust yang tidak lebih dari 2 - 6 g/m³. 
4. Tar. Tar merupakan salah satu kandungan yang paling merugikan dan harus dihindari karena sifatnya yang korosif. Sesungguhnya tar adalah cairan hitam kental yang terbentuk dari destilasi destruktif pada material organik. Selain itu, tar memiliki bau yang tajam dan dapat mengganggu pernapasan. 
5. Ash dan Slagging. Ash adalah kandungan mineral yang terdapat pada bahan baku yang tetap berupa oksida setelah proses pembakaran. Sedangkan slag adalah kumpulan ash yang lebih tebal.

b. Desain Reaktor 

Terdapat berbagai macam bentuk gasifier yang pernah dibuat untuk proses gasifikasi. Untuk gasifier bertipe imbert yang memiliki neck di dalam reaktornya,ukuran dan dimensi neck amat mempengaruhi proses pirolisis, percampuran,heatloss dan nantinya akan mempengaruhi kandungan gas yang dihasilkannya.

c. Jenis Gasifying Agent 

Jenis gasifying agent yang digunakan dalam gasifikasi umumnya adalah udara dan kombinasi oksigen dan uap. Penggunaan jenis gasifying agent mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki oleh syngas. Berdasarkan penelitian, perbedaan kandungan syngas yang mencolok terlihat pada kandungan nitrogen pada syngas dan mempengaruhi besar nilai kalor yang dikandungnya. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen yang pekat di dalam syngas,berlawanan dengan penggunaan oksigen/uap yang memiliki kandungan nitrogen yang relatif sedikit. Sehingga penggunaan gasifying agent oksigen/uap memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik dibandingkan gasifying agent udara.

d. Rasio Bahan Bakar dan Udara 

Perbandingan bahan bakar dan udara dalam proses gasifikasi mempengaruhi reaksi yang terjadi dan tentu saja pada kandungan syngas yang dihasilkan. Kebutuhan udara pada proses gasifikasi berada di antara batas konversi energi pirolisis dan pembakaran. Karena itu dibutuhkan rasio yang tepat jika menginginkan hasil syngas yang maksimal. Pada gasifikasi biomass rasio yang tepat untuk proses gasifikasi berkisar pada angka 1,25 - 1,5.

Daftar Pustaka

• Diji. 2013. Electricity Production From Biomass In Nigeria: Options, Prospects And Challenges. Department of Mechanical Engineering. Ibadan: University of Ibadan.
• Basu, P. 2010. Biomassa Gasification and Pyrolysis Practical Design and Theory. New York: Elsevier.
• Fisafarani, H. 2010. Identifikasi Karakteristik Sumber Daya Biomassa dan Potensi. Bio-Pelet di Indonesia. Jakarta: Universitas Indonesia.
• Kong, G.T. 2010. Peran Biomassa bagi Energi Terbarukan. Jakarta: Elex Media Komputindo.
• Kan, T., Strezov, V., dan Evans, T.J. 2015. Lignocellulosic Biomass Pyrolysis: A Review and Effects of Pyrolysis Parameters. Renewable and Sustainable.