Pengembangan bahan bakar non-fosil menjadi konsentrasi global untuk bersiap menghadapi menipisnya cadangan minyak bumi. Namun demikian, dengan harga produksi dan pembangunan infrastruktur yang rata rata lebih tinggi dari bensin dan LPG, pengembangan bahan bakar alternatif non-fossil masih memegang peranan yang sangat kecil secara agregat. Ethanol, bahan bakar nabati yang menjanjikan, namun praktek produksi dalam skala besar akan bertentangan dengan ketersediaan lahan untuk memproduksi bahan pangan, terutama pada negara-negara yang memiliki keterbatasan lahan untuk memproduksi bahan baku ethanol. Saat ini, baru gas alam dalam bentuk Compressed Natural Gas (CNG) yang dapat berkembang dengan baik untuk sektor otomotif di beberapa Negara [19]. Berikut akan dijelaskan secara sekilas tentang jenis-jenis bahan bakar alternatif non-fosil yang memungkinkan untuk diaplikasikan pada saat ini dan pada masa mendatang.
1.1.1. Natural gas
Gas alam terutama methane (CH4) merupakan satu-satunya bahan bakar yang hampir tidak memerlukan pengolahan signifikan untuk penggunaan otomotif. Methane terjadi secara alami di kerak bumi. Gas alam hanya membutuhkan pengeringan dan pemurnian berupa penghapusan hidrogen sulfida (H2S). Gas alam diubah menjadi gas sintesis (“syngas”) dan menjadi bahan baku untuk memproduksi methanol dan DiMetil Eter (DME) serta untuk recovery hidrogen. Italia, Argentina, Selandia Baru, Rusia dan Amerika Serikat memiliki armada kendaraan gas alam (Natural Gas vehicle, NGV) yang signifikan, tetapi belum merupakan bahan bakar kendaraan bermotor yang dominan.
Negara-negara yang sudah memiliki jalur distribusi gas alam dapat mempromosikan sebagai bahan bakar kendaraan yang relatif mudah. Namun demikian, untuk negara-negara yang belum memiliki infrastruktur yang handal, butuh investasi yang sangat mahal untuk membangun. Kendala ini menjadikan gas alam kurang menjadi pilihan untuk menyelesaikan permasalahan jangka pendek.
Seperti LPG, CNG memiliki angka oktan tinggi (120), yang memungkinkan diterapkan pada mesin dengan rasio kompresi lebih tinggi dan dapat meningkatkan efisiensi termal sekitar 10% dari penggunaan bensin. Efisiensi NGV umumnya lebih rendah dari penggunaan bensin (15% sampai 20%).
Dalam kondisi ambient, gas alam memiliki kandungan energi yang sangat rendah, tetapi dalam bentuk cair sama baiknya dengan LPG. Tekanan penyimpanan gas alam (CNG) mencapai 200-240 bar, sehingga membutuhkan peralatan dan infrastruktur yang jauh lebih mahal dari LPG.
1.1.2. Methanol
Methanol (CH3OH) adalah alkohol yang biasanya terbuat dari gas alam melalui beberapa proses lanjutan. Methanol juga dapat diproduksi dari biomassa (bahan selulosa, sebagian besar kayu) melalui proses firolisis, tetapi secara komersial belum feasible. Methanol lebih mahal dari bensin dan memiliki kepadatan energi yang lebih rendah, tetapi memiliki angka oktan yang tinggi (106 RON). Dengan kepadatan energi yang lebih rendah, methanol yang disimpan seperti bensin membutuhkan tangki bahan bakar 75% lebih besar dan sekitar dua kali lebih berat dari tangki bensin untuk menghasilkan jarak tempuh yang sama. Sistem bahan bakar methanol memerlukan material yang tahan korosi dan tahan efek kimia. Mesin dengan bahan bakar methanol umumnya bermasalah saat start dalam temperatur rendah.
Di seluruh dunia, methanol hadir sebagai bahan bakar kendaraan yang bersih dan berkelanjutan di masa depan. Methanol menghasilkan lebih sedikit emisi penyebab asap seperti SOx, NOx dan partikulat mater, sehingga penggunaan methanol dapat memperbaiki kualitas udara dan masalah kesehatan manusia, terutama di perkotaan. Methanol dapat dicampur dengan bensin dalam jumlah rendah dan digunakan pada kendaraan yang ada, atau dapat digunakan dalam campuran dengan proporsi tinggi seperti M85-M100 dalam bahan bakar fleksibel atau kendaraan berbahan bakar methanol khusus [20].
1.1.3. Ethanol
Ethanol biasanya berasal dari biomassa/tanaman yang mengandung gula, pati atau bahan selulosa, dan bukan dari alam gas. Pembuatan ethanol melalui proses fermentasi menggunakan ragi. Ethanol dapat digunakan untuk mesin SI dan CI dengan beberapa modifikasi. Harga ethanol mencapai 5 kali lipat dari bensin sehingga untuk saat ini belum feasible untuk dijadikan bahan bakar alternatif non-campuran. Pemanfaatan berbagai tanaman pangan sebagai bahan baku ethanol akan menimbulkan masalah social ekonomi pada negera-negara yang belum siap.
Sebagai bahan bakar alternatif, ethanol memiliki keuntungan yaitu dapat diperbaharui dan memiliki nilai oktan lebih tinggi dari bensin (107 RON). Hal ini dimungkinkan untuk menerapkan ethanol pada mesin dengan rasio kompresi tinggi (sampai 19,5) untuk meningkatkan efisiensi termal dan emisi gas buang. Sementara itu, untuk aplikasi ethanol dengan konsentrasi tinggi, modifikasi yang dibutuhkan tidak hanya di rasio kompresi tapi juga pada beberapa komponen mesin agar kendaraan bisa berjalan lancar dan mencegah kerusakan. Dalam sebuah penelitian, dengan sistem kontrol mesin yang kompleks dan sistem exhaust resirkulasi yang dioptimalkan, mobil berjalan pada E50 mampu menghasilkan efisiensi bahan bakar yang setara dengan mobil bensin [21]. Tabel 1.1 menyajikan komponen mesin kendaraan yang harus disesuaikan dalam penerapan ethanol dari konsentrasi rendah sampai tinggi [22].
Tabel 1.1 Penyesuaian komponen mesin SI terhadap penggunaan ethanol
Namun demikian, ethanol mengandung unsur yang larut dan tidak larut [23]. Unsur yang mudah larut adalah ion klorida yang memiliki sifat korosif. Ion ini akan menyerang lapisan anti karat pada logam sehingga akan menimbulkan korosi dan meningkatkan konduktivitas bahan bakar. Elemen larut, seperti aluminium hidroksida, akan menyumbat sistem bahan bakar. Ethanol bersifat higroskopik yang menyerap uap air secara langsung dari atmosfir. Kandungan air dalam ethanol akan menurunkan energi pembakaran dan menyebabkan knocking pada mesin. Untuk menghindari risiko tersebut, ethanol harus disegel selama penyimpanan. Namun, akan menjadi sulit karena di dalam tangki bahan bakar harus disediakan katup ventilasi untuk mencegah kevakuman.
Korosi akan merusak logam, termasuk tangki bahan bakar, komponen sistem bahan bakar yang terbuat dari plastik dan karet, injektor, dan deposit. Pada tahun 2001, beberapa model kendaraan yang menggunakan bahan bakar alkohol di Jepang dilaporkan mengalami kebocoran bahan bakar dan terbakar akibat korosi pada komponen sistem bahan bakar yang terbuat dari aluminium. Kemudian, investigasi dilakukan oleh tim. Untuk membuktikannya, uji perendaman dilakukan pada logam dan bahan lain yang digunakan pada sistem bahan bakar untuk menentukan ketahanan terhadap korosi pada ethanol yang terkandung dalam bahan bakar. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa konsentrasi ethanol yang tinggi menyebabkan korosi pada komponen sistem bahan bakar yang terbuat dari aluminium [24].
1.1.4. Biodiesel
Biodiesel dapat diproduksi dari berbagai tanaman yang mengandung minyak, kedelai, bunga matahari, dan kelapa. Dalam bahasa yang umum dikenal dengan “RME” (Rapeseed Methyl Ester). Esterifikasi merupakan cara murah untuk mengubah molekul minyak nabati menjadi molekul yang mirip dengan hidrokarbon minyak diesel, meskipun biaya biodiesel tersebut masih lebih tinggi dari minyak diesel. Dengan sifat yang sangat mirip dengan solar, biodiesel dapat langsung dipakai pada kendaraan diesel yang ada dan bercampur dengan diesel fosil dalam rasio berapapun. Biodiesel memiliki kandungan energi yang lebih rendah dari minyak diesel (sekitar 8%), tetapi memiliki kepadatan yang lebih tinggi dan menghasilkan kualitas pengapian yang lebih baik dengan cetane number yang lebih tinggi.
Biodiesel adalah bahan bakar biodegradable terbarukan yang juga bisa diproduksi dari minyak nabati, lemak hewani, atau lemak restoran daur ulang. Biodiesel merupakan pengganti pembakaran bahan bakar diesel yang lebih bersih. Biodiesel memenuhi sifat kunci sebagai bahan bakar mesin CI secara keseluruhan dari Standar Bahan Bakar Terbarukan. Kinerja biodiesel dalam cuaca dingin tergantung pada besarnya campuran biodiesel dan bahan baku untuk membuatnya. Secara umum, semakin kecil persentase biodiesel dalam campuran, semakin baik kinerjanya pada suhu dingin [25].
1.1.5. Hidrogen
Hidrogen adalah satu dari jenis bahan bakar gas dan bisa dihasilkan dari hampir semua bahan baku yang mengandung hidrogen. Hidrogen dapat diproduksi dengan cara elektrolisis air atau dengan cara gasifikasi dari bahan baku yang mengandung hidrogen. Gas alam merupakan bahan baku yang paling penting untuk produksi hidrogen melalui beberapa proses. Batu bara dan biomassa juga dapat dikonversi menjadi hidrogen melalui gasifikasi. Hidrogen memiliki kandungan energi per satuan massa yang tinggi, namun per satuan volume rendah, sehingga pada kendaraan perlu tangki yang lebih besar. Dengan angka oktan yang tinggi, mesin hidrogen menghasilkan efisiensi termal lebih baik.
Hidrogen dimanfaatkan dalam mesin SI seperti halnya bahan bakar gas lainnya. Dengan sistem fuel cell, energi kimia hidrogen diubah menjadi energi listrik. Kedua sistem tersebut dapat diterapkan sebagai bahan bakar rendah emisi, tetapi biayanya lebih mahal daripada bahan bakar alternatif yang lain.
1.1.6. Dimetil Eter (DME)
DME muncul baru-baru ini sebagai pilihan bahan bakar kendaraan bermotor. Teknik produksinya sangat mirip dengan produksi methanol, menggunakan gas alam atau biomassa sebagai bahan baku. Gas alam diubah menjadi syngas seperti methanol, kemudian membentuk DME dalam proses yang disebut sintesis oksigenat.
Penanganan dan penggunaan DME menyerupai LPG. DME berwujud gas pada kondisi ambient dan dapat disimpan dalam bentuk cairan pada tekanan 6 bar, dengan pengamanan yang hampir sama dengan LPG. Kepadatan energi DME hanya sekitar setengah dari kepadatan energi minyak diesel. Untuk itu, perlu tangki penyimpanan yang besar untuk jarak tempuh yang setara. DME memiliki cetane number yang lebih tinggi dari solar sehingga sangat cocok untuk mesin CI dan menghasilkan efisiensi mesin yang bersaing dengan bahan bakar diesel.
Original source: Muji Setiyo & Suyitno, Teknologi Kendaraan Berbahan Bakar LPG
Referensi
[19] International Energy Agency, Automotive Fuel for the Future.
[20] Methanex, “Methane as a Vehicle Fuel,” About Methanol. [Online]. Available: https://www.methanex.com/about-methanol/methanol-vehicle-fuel. [Accessed: 05-Mar-2018].
[21] M. Bakenhus, “Economical , High-Efficiency Engine Technologies for Alcohol Fuels,” American Energy Independence, 2016.
[22] The Royal Society, “Sustainable biofuels: prospects and challenges,” 2008.
[23] N. D. Brinkman, R. Halsall, Scott W. Jorgensen, and J. E. Kirwan, “The Development of Improved Fuel Specifications for Methanol (M85) and Ethanol (Ed85),” SAE Technical Paper, vol. 1994–03–01, 1994.
[24] A. Kameoka, K. Nagai, G. Sugiyama, and T. Seko, “Effect of Alcohol Fuels on Fuel-Line Materials of Gasoline Vehicles,” Powertrain & Fluid Systems Conference & Exhibition Technical Papers, no. 2005–01–3708. 2005.
[25] US Department of Energy, “Biodiesel Fuel Basics,” Alternative Fuels Data Center, 2012. [Online]. Available: http://www.afdc.energy.gov/fuels/biodiesel_basics.html. [Accessed: 05-Mar-2018].