1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pencemaran udara saat ini terutama pada kota-kota besar ataupun

kawasan-kawasan industri mulai dirasakan menjadi masalah yang cukup

memprihatinkan. Udara merupakan faktor lingkungan yang paling berhubungan

langsung dengan manusia yaitu untuk bernafas. Pencemaran terhadap udara

tentunya akan berakibat menurunnya kualitas kesehatan manusia selain juga

mahluk hidup lainnya seperti hewan dan tumbuhan. Komponen pencemar udara

yang paling berpengaruh adalah Karbon Monoksida (CO), Nitrogen Oksida

(NOx), Sulfur Oksida (SOx), Hidrokarbon (HC) dan Partikulat (PM).

Emisi NOx, SOx dan Partikulat merupakan emisi utama dari mesin diesel

kapal. Agar mesin diesel yang dipergunakan di kapal tidak melakukan

pencemaran udara sehingga tidak mengganggu kesehatan manusia dan tidak

merusak lingkungan sekitar maka perlu dilakukan suatu penelitian tentang

bagaimana cara menurunkan emisi gas buang dengan pemilihan teknologi dan

metode apa yang tepat dalam mengatasi pencemaran udara akibat emisi yang

dikeluarkan oleh mesin diesel kapal.

Mesin diesel kapal adalah suatu mesin yang terbukti handal dan efisien

bahan bakar. Namun salah satu kekurangan/kelemahan mesin diesel adalah

adanya emisi pada gas buang yang berupa NOx, SOx, CO dan Partikulat yang

semuanya membahayakan kesehatan dan merusak kualitas udara, hujan asam

(HNO3 dan H2SO4) yang dapat mengakibatkan kanker juga gas CO yang dapat

mematikan apabila kita menghirupnya secara langsung, bertambahnya suhu bumi

akibat pertambahan CO2 atau Global Warming.

Buruknya kondisi kualitas udara akibat gas buang yang dikeluarkan mesin

diesel kapal mengakibatkan International Maritime Organization (IMO) mengatur

standar minimum emisi NOx dan SOx dalam ANNEX VI regulasi 13 dan 14.

Regulasi 13 menjelaskan batasan emisi NOx dari kapal seperti di bawah ini :

Dengan ketentuan sebagai berikut:

2

1. Peraturan ini berlaku untuk:

- Masing-masing kapal dengan daya output 130 KW yang dipasang pada kapal

yang dibangun setelah 1 Januari 2000.

- Setiap mesin diesel dengan daya output 130 KW yang telah dikonvensikan

setelah 1 Januari 2000.

2. Peraturan ini tidak berlaku untuk:

- Mesin yang dalam keadaan darurat, mesin yang dipasang pada sekoci

penyelamat ataupun disemua peralatan untuk keadaan bahaya.

- Mesin yang diletakkan pada kapal yang memiliki pelayaran yang terbatas,

atau kapal tersebut telah memiliki bendera dari administrasi dalam

mengendalikan emisi NOx.

Sementara itu regulasi 14 yang berisi peraturan tentang batasan emisi SOx

menjelaskan:

1. Kandungan sulfur di dalam bahan bakar yang digunakan pada kapal tidak

boleh melebihi 4.5% m/m.

2. Kandungan emisi SOx yang ada di kapal harus tetap dikontrol dan pada saat

kondisi berlayar: kandungan emisi gas buang yang dikeluarkan oleh kapal

tidak boleh lebih dari 1.5 % m/m, dan total emisi yang dikeluarkan dari mesin

hasil proses pembakaran dari setiap mesin diesel tidak boleh lebih dari 6 g

SOx/kWh atau lebih sedikit dari berat emisi SO2.

Telah banyak penelitian yang dilakukan dalam memberikan solusi

alternatif terhadap masalah penurunan emisi gas buang dari kapal antara lain

teknik yang diberikan oleh IMO yaitu:

1. Teknik dalam mengurangi emisi NOx yakni antara lain:

Penggunaan Bahan Bakar Rendah Nitrogen

Penurunan kadar nitrogen dalam bahan bakar akan secara otomatis

mengurangi pembentukan emisi NOx. Karena tidak mudah untuk mengurangi

begitu saja nilai nitrogen dalam bahan bakar, karenanya alternatif lain adalah

penggunaan bahan bakar metanol yang bebas nitrogen.

3

Emulsi

Penggunaan air yang dicampurkan dalam bahan bakar saat ini telah banyak

dilakukan. Penggunaan bahan bakar campuran ini dapat mengurangi emisi NOx

karena terjadinya proses ledakan mikro (micro explosion) dalam proses

pembakaran. Ledakan mikro ini terjadi karena perbedaan titik didih antara kedua

fluida.

Humidifikasi

Proses humidifikasi adalah dengan menyemprotkan air ke dalam aliran

udara masuk pada motor penggerak. Tujuan dari teknik ini adalah untuk

menurunkan suhu udara yang masuk kedalam ruang bakar yang pada akhirnya

temperatur pembakaran dapat diturunkan. Teknik ini diketahui dapat menurunkan

emisi NOx sampai 50%.

Miller System

Teknik ini dilakukan pertama kali oleh pabrik mesin Wartsila-NSD Sulzer

yaitu pada saat proses langkah hisap waktu terbukanya katup hisap diatur

sedemikian rupa untuk lebih lama agar kompresi rasio dapat diturunkan. Dengan

teknik ini akan diperoleh penurunan temperatur udara dan tekanan udara saat

proses pembakaran sehingga NOx dapat diturunkan. Penurunan dengan

penggunaan sistem ini mencapai 20%. Sistem ini semakin populer diterapkan

terutama bagi motor penggerak yang menggunakan turbocharger.

2. Teknik dalam mengurangi emisi SOx yakni antara lain:

De-sulphurisation

De-sulphurisation adalah proses pengolahan kembali produk bahan bakar

untuk mengurangi kandungan sulphurnya. Walau proses ini membutuhkan biaya

yang tinggi namun ada keuntungan yang diperoleh dari proses ini yaitu

didapatkannya sulphur untuk membantu proses industri terkait, misalnya industri

detergen, pulp, kulit dan lain sebagainya.

Disamping metode yang diberikan oleh IMO terdapat 3 jenis metode lain

yang sering diterapkan dalam menurunkan emisi NOx, SOx dan Partikulat yaitu:

4

1. Selective Catalytic Reduction (SCR) untuk mengurangi emisi NOx

Prinsip utama sistem Selective Catalytic Reduction (SCR) adalah

penggunaan urea ((NH2)2CO) atau amoniak (NH3). Bahan ini diinjeksikan ke

dalam aliran gas buang, dan NOx akan berubah menjadi N2 dan uap air. Reaksi

kimia yang terjadi seperti tertera di bawah ini:

2NO + 2NH3 + 1/2O2 = 2N2 + 3H2O

6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O

Efisiensi dari sistem SCR ini sangat berarti untuk mengurangi emisi NOx yaitu

sebesar 90-95% dan menghasilkan nitrogen dan uap air yang tidak berbahaya bagi

lingkungan.

2. Seawater Exhaust Gas Scrubber untuk mengurangi emisi SOx

Prinsip utama sistem ini adalah mendinginkan gas buang sampai pada titik

embun dari gas buang tersebut dan mengakibatkan terjadinya kondensasi pada

SOx. Saat terjadinya pendinginan akibat kontak gas buang dengan air laut, dimana

air laut adalah asam natural dengan pH 8.1, terjadi kombinasi kerja yaitu

netralisasi dan pengenceran gas buang. Sistem ini awalnya banyak digunakan

sebagai sistem untuk de-sulphurisasi dalam industri, namun saat ini banyak

digunakan untuk aplikasi penurunan SOx di kapal. Dalam suatu kasus, emisi SOx

menurun dari 497 ppm menjadi 48 ppm dengan pH water scrubber menurun dari

8.01 menjadi 2.95, dari sifat basa menjadi sifat asam.

3. Electrostatics Precipitator (ESP) untuk mengurangi emisi Particulate

Matter (PM)

Prinsip utama sistem ini adalah menangkap atau mengikat debu yang

keluar dari hasil pembakaran dengan memberikan arus listrik tegangan tinggi pada

elektroda bermuatan positif yang terbuat dari pelat tembaga, kuningan ataupun

arang sehingga debu-debu akan termuati oleh muatan negatif akibatnya debu-debu

yang keluar dari hasil pembakaran tertarik atau terikat pada pelat-pelat yang

bermuatan positif dan gas bersih bergerak menuju cerobong asap. Debu-debu

yang terikat tadi kemudian ditampung pada pengumpul elektroda (collecting

5

electrode) dan kemudian jatuh ke bak penampung (dust hopper). Efisiensi dari

sistem ESP ini sangat berarti untuk mengurangi emisi Partikulat yaitu sebesar 90-

99% dan menghasilkan asap yang tidak berbahaya bagi lingkungan.

Dari semua teknik dan metode yang diberikan belum ada penelitian yang

paling optimal tentang hasil yang dicapai akibat dari penurunan emisi gas buang

tersebut, sehingga sangat perlu kiranya penelitian ini dilakukan.

Penelitian ini diawali dengan melakukan perbandingan dari hasil-hasil

penelitian terdahulu kemudian diidentifikasi dan pengukuran dilakukan terhadap

satu alat yang telah dibuat dan representatif. Data yang diperoleh kemudian diolah

melalui proses perhitungan, penggambaran, pemodelan, serta simulasi aliran

fluida pada alat yang dibuat (baik kondisi tetap maupun kondisi modifikasi

dengan memvariasikan bentuk dan ukuran alat), menggunakan paket program

ANSYS (CFD FLUENT dan GAMBIT). Hasil running simulasi di ANSYS CFD

FLUENT, berupa distribusi tekanan, kecepatan fluida, diameter kawat, jarak

antara kawat dengan kawat dan jarak sekat antara pelat dengan pelat kemudian

dianalisis untuk menghitung kecepatan aliran dan kandungan yang terdapat dalam

aliran tersebut yang paling optimal sesuai dengan aturan IMO yaitu MARPOL

Annex VI.

Hasil penelitian ini dapat menjadi informasi dan rekomendasi bagi

galangan atau para pemilik kapal dalam pemilihan mesin diesel kapal yang tepat

dalam mengatasi masalah pencemaran udara sehingga diharapkan dapat

meningkatkan kualitas udara yang lebih bersih.

1.2 Perumusan dan Batasan Masalah

Permasalahan utama yang ingin dijawab melalui penelitian ini adalah

sampai sejauh mana kinerja dari penelitian alat dengan memakai metode ESP

yang dilakukan. Permasalahan utama tersebut diuraikan lebih detail menjadi

beberapa tahap permasalahan, antara lain :

1. bagaimana desain (bentuk badan ESP) serta kinerja (kecepatan aliran dan hasil

penurunan gas buang yang dihasilkan. (kondisi tetap) ?

6

2. bagaimana memodelkan dan mensimulasikan aliran fluida pada ESP dan

cerobong pada saat kondisi tetap maupun pada kondisi perubahan kecepatan

putaran mesin (modifikasi) ?

3. apakah ada kemungkinan kenaikan efisiensi (penurunan kadar emisi gas

buang) yang dibutuhkan untuk mencapai kadar emisi yang paling optimal, dari

hasil simulasi terhadap model yang dibuat ?

4. bagaimana perhitungan sistem CFD (kondisi modifikasi) yang menghasilkan

kinerja ESP yang optimal (kandungan emisi gas buang kapal dapat dicapai

sesuai dengan standar yang dikeluarkan oleh IMO yaitu MARPOL Annex VI)

Untuk menjawab permasalahan yang ada maka dilakukan pembatasan

masalah, sebagaimana berikut ini :

1. penelitian dilakukan terhadap salah satu metode penurunan emisi gas buang

yang terdapat seperti uraian diatas yaitu tipe Electrostatics Precipitator (ESP);

2. data diambil dari beberapa hasil penelitian sebelumnya yang representatif ;

3. tipe yang dipakai adalah tipe wire plate dimana bentuk badan atau design ESP

dibuat tetap, jumlah, panjang, lebar dan jarak tiap collecting plate, dibuat

bervariasi yang kemudian dioptimasikan ;

4. modifikasi dilakukan dengan putaran mesin (rpm) pada kecepatan servis dan

mempergunakan jenis bahan bakar Marine Fuel Oil (MFO);

5. modifikasi dilakukan dengan memvariasikan ukuran ESP meliputi panjang,

tinggi plat pengumpul (collecting plate), jumlah plat pengumpul dan jarak

antara plat dengan plat.

1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk

1. mendapatkan desain (bentuk dan ukuran ESP) serta kinerja aktual yang paling

optimal (menurunkan kadar emisi gas buang secara optimal dengan biaya

yang lebih murah);

2. mengetahui pengaruh hasil penelitian sebelumnya dan membandingkannya

terhadap kecepatan fluida yang melalui ESP melalui model dan simulasi

aliran fluida pada gas buang kapal dan cerobong ;

7

3. mendapatkan penempatan sistem ESP (kondisi modifikasi) yang

menghasilkan kinerja yang optimum (kandungan emisi gas buang kapal dapat

dicapai sesuai aturan IMO yaitu MARPOL Annex VI).

Sedangkan manfaat yang diperoleh dari penelitian ini, antara lain

1. terpenuhinya salah satu syarat bagi penulis untuk menyelesaikan studi

pascasarjana strata-2 (program magister) di Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya ;

2. mengetahui kinerja dari salah satu metode penurunan kadar emisi gas buang

yang paling optimal yang pernah diteliti sebelumnya, melalui pemodelan dan

simulasi di komputer, sehingga alternatif modifikasi penempatan metode

penurunan kadar emisi gas buang yang akan dibuat tidak harus dilakukan

secara langsung pada kapal sesungguhnya yang akan membutuhkan biaya,

waktu, tenaga, dan resiko kegagalan relatif besar ;

3. memberikan informasi dan rekomendasi teknis mengenai alternatif

penempatan metode penurunan kadar emisi gas buang mesin diesel yang

handal dan hemat kepada galangan atau para pemilik kapal, guna pemilihan

dan penggunaan teknologi yang tepat dalam menerapkan metode tersebut

sehingga pencemaran udara dapat diatasi dan kapal tersebut dapat tetap laik

laut ;

4. menjadi bahan dasar untuk memberikan sertifikasi/penerbitan sertifikat,

"International Air Pollution Prevention (IAPP) Certificate" sesuai persyaratan

dalam Regulasi 5 dari ANNEX VI;

5. menjadi referensi untuk penelitian selanjutnya yang berkaitan dengan

permasalahan yang sama.

8

“Halaman ini sengaja dikosongkan ...”