Proses Hydrocarb Untuk Biomas

PROSES HYDROCARB UNTUK BIOMAS DAN BAHAN BAKAR FOSIL1 Agus Sugiyono Staf Peneliti Direktorat Teknologi Energi, BPP Teknologi

1. Pendahuluan Sektor energi merupakan sektor yang sangat penting di Indonesia karena selain sebagai penggerak ekonomi dalam negeri juga sebagai komoditi eksport. Untuk memenuhi keperluan energi dalam negeri, ada beberapa sumber energi yang tersedia seperti : minyak bumi, gas alam, batubara, geothermal, biomass, dan sumber energi baru yang lainnya. Pada tahun 1991 kebutuhan energi dalam negeri mencapai 52 MTOE yang sebagian besar menggunakan minyak bumi (41 %) dan biomas, sebagai sumber energi tradisional (31 %). Sisanya dipenuhi dengan gas alam sebesar 18 %, batubara 6 % dan tenaga air bersama-sama dengan geothermal sebesar 4 % [3]. Sumber energi di Indonesia ditandai dengan keterbatasan cadangan minyak bumi, cadangan gas bumi yang mencukupi dan cadangan batubara yang masih melimpah. Cadangan minyak bumi diperkirakan sebesar 10.73 x 109 barrel dengan rata-rata produksi 0.47 x 109 barrel per tahun, sedangkan cadangan gas alam sebesar 101.8 x 1012 SCF dengan rata-rata produksi 2.1 x 1012 SCF per tahun dan cadangan batubara sebesar 34.31 x 109 ton dengan rata-rata produksi 0.011 x 109 ton per tahun [2]. Sumber biomas tersebar di seluruh wilayah baik yang berupa produksi hasil hutan maupun limbah pertanian. Potensi produksi biomas diperkirakan sebesar 246.3 x 106 ton per tahun dengan perincian : hasil hutan sebesar 217.0 x 106 ton per tahun dan limbah pertanian sebesar 29.3 x 106 ton per tahun [4]. Keterbatasan bahan bakar minyak dalam negeri telah mendorong pemerintah untuk melaksanakan kebijaksanaan diversifikasi energi. Berbagai sumber energi alternatif terus dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri, termasuk pemanfaatan biomas menjadi energi yang komersial. Teknologi pemanfaatan biomas menjadi bahan bakar komersial terus dikembangkan dewasa ini. Pemanfaatan energi dari biomas mula-mula dikembangkan dari hasil manajemen limbah. Pembangkit listrik yang memanfaatkan limbah dari penggergajian kayu telah dikembangkan di Amerika. Kemudian pemanfaatan limbah pertanian juga dikembangkan untuk pembangkit tenaga listrik. Contoh lain pemanfaatan biomas yaitu produksi alkohol dari biji tumbuh-tumbuhan di Amerika dan Eropa dan produksi alkohol dari tebu yang dapat digunakan sebagai bahan bakar mobil di Brasil. Meskipun produksi biomas sebagai bahan bakar komersial secara ekonomis masih mahal, tetapi teknologi pemanfaatan biomas untuk memperoleh nilai tambah yang lebih baik terus 1

Innertap - DJLPE, Proseding Prospek Pemanfaatan Biomasa Sebagai Energi di Indonesia, hal. 83-90, September 1995.

1

dikembangkan termasuk salah satunya yaitu proses hydrocrab. Dalam makalah ini akan dibahas proses hydrocarb dengan bahan baku biomas dan bahan bakar fosil. 2. Proses Hydrocarb Secara umum proses hydrocarb dibagi menjadi tiga tahap, yaitu : proses hydrogasification dari bahan baku (biomas atau bahan bakar fossil), proses pyrolysis yang merupakan proses dekomposisi methane secara thermal dan proses pembentukan methanol secara catalytic. Biomas yang berasal dari kayu bakar mempunyai komposisi seperti ditunjukkan dalam Table 1 dan mempunyai rumus kimia CH1.38O0.59. Kandungan abu dan sulfur dari kayu bakar lebih kecil bila dibandingkan dengan batubara, yang akan mengurangi biaya dan kesulitan dalam memanfaatkan biomass. Table 1. Ultimate Analysis dari kayu bakar

Ash Carbon (total) Hydrogen Sulfur Nitrogen Oxygen Total

Wt % (dry basis) 0.74 51.94 5.99 0.18 0.48 40.67 100.00

Total proses hydrocarb dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi sebagai berikut : CH1.38O0.59 + 0.245 CH4 kayu bakar + gas alam

----> ---->

0.655 C + 0.59 CH3OH karbon + methanol

(1)

Mula-mula biomas, gas alam, dan penyerap sulfur diumpankan ke reaktor hydrogasification pada suhu 800 oC dengan tekanan 5 x 106 N/m2 (50 atm). Reaksi yang terjadi selama proses ini : C + 2 H2 C + H2 CO + H2O CO + H2

---> ---> ---> -->

CH4 CO + H2 CO2 + H2 C + H2O

(2) (3) (4) (5)

2

Abu, karbon dan penyerap sulfur keluar dari reaktor hydrogasification dalam bentuk padat sedangkan gas yang dihasilkan diumpankan ke reaktor kedua yang mempunyai suhu 1100 oC dan tekanan sekitar 50 atm dan reaksinya : CH4 C + H2O C + CO2

---> --> --->

C + 2 H2 CO + H2 2 CO

(6) (7) (8)

Karbon murni yang terbentuk dalam dekomposisi thermal dari methane dalam reaktor pyrolysis dibuang sebagai hasil sampingan. Kemudian methanol diproses dalam reaktor ketiga pada suhu 260 oC dan tekanan sekitar 50 atm. CO + 2 H2 CO2 + 3 H2

---> --->

CH3OH CH3OH + H2O

(9) (10)

Setelah kondensasi methanol, sisa-sisa gas dikembalikan ke reaktor hydrogasification. Seluruh nitrogen yang terkandung dalam bahan baku diubah menjadi N2. Untuk proses hydrocarb yang menggunakan bahan baku campuran biomas dan batubara mempunyai proses yang sama dengan proses di atas. kayu bakar + batubara ----> karbon + methanol Kesetimbangan materi dan komposisi kimia ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 2 dan 3 memperlihatkan keseteimbangan energi dalam reaktor hydrogasification dan dalam reaktor pyrolysis. 3. Permasalahan dan Prospek Meskipun sistem yang terintegrasi belum beroperasi, tetapi tiap proses telah dicoba menggunakan bahan baku batubara di Brookaven National Laboratory (BNL). Juga telah dicoba dengan bahan baku biomas dan terus dilakukan perbaikkan. Jika biomas saja yang digunakan sebagai bahan baku, proses hydrocarb akan mendekomposisi biomas menjadi karbon, hydrogen dan air. Proses ini dapat menyimpan karbon yang terkandung dalam biomas tapi hanya 3 % dari energi biomas yang diubah menjadi hydrogen. Jika bahan baku ditambah dengan gas alam, coprocessing akan menghasilkan methanol sebagai tambahan dari karbon. Dengan proses yang sama, proses hydrocarb dapat menggunakan bahan baku campuran biomas, batubara dan gas alam. Biomas mengandung 0.18 % sulfur yang menghasilkan 340 ppm H2S dalam reaktor hydrogasifier. Dalam methanol converter, gas synthetis harus mempunyai kandungan sulfur yang 3

kurang dari 2 ppm sehingga selama proses hydrogasification dari biomass perlu menambahkan penyerap H2S. Meskipun batu kapur (CaCO3) telah berhasil digunakan sebagai penyerap H2S pada proses hydrogasification dari batubara pada tekanan yang rendah, pada proses hydrogasification dari biomas ada kemungkinan CaCO3 tidak reaktif dengan H2S. Diperkirakan dolomite (MgCO3.CaCO3) dapat digunakan untuk menyerap sulfur menjadi MgO.CaS. Karena CaS tidak dapat dibuang langsung dan tidak dapat dioksidasi tanpa melalui emisi SO2, maka CaS hasil dari proses hydrogasification digunakan sebagai bahan bakar reheater pada temperatur 1500 oC. Pada temperatur ini oksidasi CaS dan dekomposisi menjadi MgO.CaO + SO akan 2 berlangsung. Kemudian SO2 dikumpulkan dari gas buang reheater dengan scrubber konvensional. Penggunaan alumina untuk mengendalikan suhu dalam hydrogasifier dan sebagai penukar kalor dalam reaktor pyrolysis merupakan hal perlu diperhatikan. Kesetimbangan energi memperlihatkan bahwa tingkat daur ulang dari alumina sangat tinggi, sekitar 20 kali dibandingkan dengan tingkat penggunaan bahan baku biomas. Menangani aliran masa yang besar dan bertekanan tinggi dari alumina juga masih merupakan masalah. Keuntungan dari proses ini adalah dapat dikembangkan lebih lanjut untuk bahan baku dari bahan yang mengandung karbon selain bahan bakar fossil seperti limbah padat. Aspek penting yang lain yaitu aspek lingkungan disaat kebutuhan bahan bakar cair yang bersih lingkungan juga semakin meningkat. Dalam proses hydrocarb dengan bahan baku biomas, hasil sampingan yang berupa karbon bebas dari abu, sulfur dan nitrogen, sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar bersih lingkungan di sektor industri khususnya untuk menghilangkan emisi SO2 dan emisi abu dari boiler atau mesin diesel. Oleh karena bahan bakar ini tidak mengandung nitrogen maka emisi NOx dapat dikurangi sebesar 50 % bila dibandingkan dengan penggunaan batubara. Methanol dan karbon serta hydrogen dan methane dapat sebagai alternatif hasil gabungan dari proses hydrocrab. Jika suatu saat hydrogen menjadi standard bahan bakar untuk transportasi, pada saat pergantiannya memerlukan fasilitas pemroses yang mampu memproduksi methanol dan hydrogen. Prospek lain dari proses hydrocarb yaitu untuk menanggulangi masalah pemanasan global. Proses hydrocarb dapat mengubah gas alam ke methanol dan kemudian menggunakan methanol sebagai bahan bakar dengan jumlah emisi CO2 total adalah nol. Perbandingan secara ekonomis teknologi hydrocarb ditunjukkan dalam Table 2. Dari Tabel 2 dapat ditunjukkan bahwa coprocess biomas dan gas alam mempunyai efisiensi thermal yang lebih tinggi dibandingkan dengan proses hydrocarb yang lainnya. Makin besar karbon yang disimpan maka makin mahal biaya investasinya sehingga harga methanol hasil proses hydrocarb juga meningkat. Coprocess biomas dan gas alam dapat menurunkan biaya investasi tersebut.

4

4. Penutup Proses hydrocarb merupakan salah satu proses untuk memanfaatkan biomas menjadi bahan bakar komersial dan mempunyai beberapa keuntungan diantaranya : - bahan bakar hasil proses hydrocarb dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak bila suatu saat cadangan minyak habis. - karbon yang dihasilkan oleh proses hydrocarb bebas dari abu, sulfur dan nitrogen sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk sektor industri dan mempunyai dampak pemakaiannya terhadap lingkungan yang kecil. - mempunyai prospek untuk membuat dan memanfaatkan methanol dengan emisi CO2 yang minimum. Daftar pustaka [1] Arnulf Grubler, Nebojsa Nakicenovic dan Andreas Schafer, Summary of IPCC/EIS - IIASA International Workshop on Energi-Related Greenhouse Gases Reduction and Removal, IIASA, 1992 [2] BPPT-KFA, Environmental Impact of Energy Strategies for Indonesia : Final Summary Report, May 1993. [3] International Energy Agency, The IEA Energy Balance and Statistics Databases, on diskette, 1993. [4] Riyanto Marosin, L.M. Panggabean, State of the Art of Biomass Gasification Technology in Indonesia, Seminar on Power Generation Technology Using Biomass, 17-18 Januari 1989. [5] Robert H. Borgwardt, Meyer Steinberg, Edward W. Grobse and Yuanki Tung, Biomass and Fossil Fuel to Methanol and Carbon via The Hydrocarb Process, US EPA.

5

BIOMASS 100 kg

PURGE 0.492 kg mol

CO CO 2 CH 4 H 2O H2

CH1.38 O

3.89 % 0.27 % 18.76 % 0.06 % 76.11 %

CH 17.75 kg 4

0.59

HYDROGASIFICATION REACTOR 800 o C 50 atm

CH 3OH 0.91 % 15.15 kg mol

CO 4.65 % CO 2 1.54 % CH 4 39.76 % H 2O 12.6 % H 2 41.43 %

METHANOL CONVERTER CH 3OH 66.75 kg

CARBON 16.3 kg

o 260 C 50 atm

16.58 kg mol PYROLYSIS REACTOR

CO 12.09 % CO 2 0.19 % CH 4 12.83 % H 2O 2.17 % H 2 72.12 %

1100

o

C

CARBON 23 kg

50 atm

22.16 kg mol

Gambar 1. Kesetimbangan Materi dan Komposisi Kimia [5]

ALUMINA 800 oC 746 kg

o 100 kg BIOMASS 200 C PYROLYSIS REACTOR FEED

H F = 5.187 x 108 J Sens. = -4.17 x 107 J

EXOTHERMIC

o CONVERTER RECYCLE 1050 C

REACTIONS

-5.308 x 108 J

-5.397 x 108 J

CH 4 200o C

-2.693 x 10

8

J CARBON -2.75 x 107 J

H F = 8.30 x 107 J Sens. = -7.78 x 10 6 J

o ALUMINA 1100 C 3.00 x 108 J

Gambar 2. Kesetimbangan Energi dalam Reaktor Hydrogasification [5] 6

o ALUMINA 1100 C 746 kg, -3.00 x 10 8 J

0.492 kg mol PURGE GAS

1100 oC

SYNTHESIS GAS TO METHANOL CONVERTER 1100 o C -8.25 x 10 8 J

o ALUMINA 1100 C -5.488 x 10 8 J

13.93 kg CARBON

ENDOTHERMIC

REACTIONS 5.29 x 10 8 J

-1.56 x 10 7 J

GAS FROM HYDROGASIFIER 800 oC -5.31 x 10 8 J

o 800 C ALUMINA 1360 kg

TO HYDROGASIFIER 746 kg ALUMINA 800 oC

PREHEATER

Combustion Reactions : Carbon = -4.572 x 10 8 J Purge gas = -1.916 x 10 8 J

800 o C

750 oC

-5.584 x 10 8 J

-4.421 x 10 8 J

CARBON -2.58 x 10 7 J

AIR AIR 21 mols

PREHEATER

FLUE GAS 22.3 mols -1.163 x 10 8 J

Gambar 3 Kesetimbangan Energi dalam Reaktor Pyrolysis [5]

AIR + H2 O WET BIOMASS

DRY BIOMASS CHIPPER

DRIER

HYDRO GASIFICATION REACTOR

AIR

STEAM

800 o C

CARBON + ASH

1100 o C PURGE GAS

COOLING WATER 50 o C

METHANOL METHANOL CONDENSER

GAS REHEATER 1050o C

COMBUSTOR

ASH

ALUMINA

o 240 C

1100 o C CH4

1500 o C

ALUMINA 1100 o C

METHANOL o o 260 C CONVERTER 260 C

GAS COOLER

1100 o C

AIR

ALUMINA REHEATER

PYROLYSIS REACTOR

750 o C 800 o C

800 oC

AIR PREHEATER

FLUE GAS

240 oC WATER

ALUMINA 800 oC o ALUMINA 800 C

AIR 25 o C

CARBON

Gambar 4. Diagram Proses Hydrocarb [5]

7

Table 2. Perbandingan Teknologi Hydrocarb [1] No.

Process

1 2

3

4

5 6

7

8

9

10

11

Feedstock

Capacity Ton/Day Energy PJ/yr Input 25,000 T/D 216 PJ/yr 25,000 T/D 216 PJ/yr

Fuel Product

Fuel Product Output per Day

Carbon Utilization eff. (%)

Thermal Eff. (%)

Hydrocarb Bit. Methanol 96,000 B/D 90 95 Methanol Coal Carbon 11,600 T/D Methanol 96,000 B/D 59 69 Hydrocarb Bit. Carbon 5,800 T/D Methanol Coal Store 50% C Hydrocarb Bit. 25,000 T/D Methanol 96,000 B/D 27 43 Methanol Coal 216 PJ/yr Carbon 0 T/D Store all C Hydrocarb Bit. 25,000 T/D Gasoline 43,500 B/D 25 35 Gasoline Coal 216 PJ/yr Carbon 0 T/D Store all C Hydrocarb Bit. 25,000 T/D Gasoline 43,5000 B/D 85 87 Gasoline Coal 216 PJ/yr Carbon 11,600 T/D Hydrocarb Bit. Coal 28,400 T/D Methanol 110,000 B/D 112 114 Coprocess Biomass 14,900 T/D Carbon 17,700 T/D Methanol 318 PJ/yr Hydrocarb Bit. Coal 28,400 T/D Methanol 110,000 B/D 70 78 Coprocess Biomass 14,700 T/D Carbon 8,900 T/D Store 50 % C 318 PJ/yr 110,000 B/D 27 43 Hydrocarb Bit. Coal 28,400 T/D Methanol 14,700 T/D Carbon 0 T/D Coprocess Biomass 318 PJ/yr Store all C Hydrocarb 49,300 B/D 26 36 Bit. Coal 25,000 T/D Gasoline Coprocess 0 T/D Biomass 13,300 T/D Carbon Coal Gas. 318 PJ/yr Store C Hydrocarb Natural 238 x 10^6 Methanol 136,000 B/D 370 237 Coprocess Gas SCF/D Carbon 6,800 T/D Nat. Gas & Biomass 25,000 T/D Biomass 219 PJ/yr Hydrocarb Natural 238 x 10^6 Methanol 136,000 B/D 187 158 Coprocess Gas SCF/D Carbon 0 T/D Nat. Gas & Biomass 25,000 T/D 219 PJ/yr Store all C * Efficiencies based only on fossil fuel utilization whenever biomass is coprocessed ** Unregulated Industrial Processes Fixed Charges 21.9 % on Capital, 90 % P.F. and 1989 Dollars

Capital Cost of Plant $ 10 ^ 6 Millions 860

Fuel Product Selling Price $/MMBtu of Total

Development time

O&M

Energy Output

2.40

Yrs 4

$/Day 100,000

PJ/yr 205

860

3.30

4

100,000

149

860

5.30

4

100,000

93

1100

7.40

4

150,000

55

1,100

2.90

4

150,000

190

1,200

2.50

4

125,000

275

1,200

5.30

4

125,000

173

1,200

8.00

4

125,000

104

1,500

9.70

4

175,000

86

850

4.70

4

110,000

197

850

6.10

4

110,000

131

8