2009

METODOLOGI DAN USULAN PENELITIAN Semester II-2008/2009

KAJIAN TEKNO EKONOMI PABRIK KONVERSI BIOMASSA MENJADI BAHAN BAKAR FISCHER-TROPSCH MELALUI PROSES GASIFIKASI

Oleh

FITRIA YULISTIANI NIM : 23008004 Program Studi Teknik Kimia

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2009

LEMBAR PENGESAHAN METODOLOGI DAN USULAN PENELITIAN

RENCANA USAHA PABRIK KONVERSI BIOMASSA MENJADI BAHAN BAKAR FISCHER-TROPSCH MELALUI PROSES GASIFIKASI Oleh

Fitria Yulistiani (23008004) Catatan

Bandung,

Desember 2009

Telah diperiksa dan disetujui oleh:

Pembimbing 1,

Pembimbing 2,

____________________

____________________

Prof. Dr. Herri Susanto

Dr. Tri Partono Adhi ii

ABSTRAK KAJIAN TEKNO EKONOMI PABRIK KONVERSI BIOMASSA MENJADI BAHAN BAKAR FISCHER-TROPSCH MELALUI PROSES GASIFIKASI Oleh FITRIA YULISTIANI NIM : 23008004

ABSTRAK Pertambahan jumlah penduduk, kemajuan teknologi, dan peningkatan perekonomian menyebabkan peningkatan konsumsi energi di Indonesia. Apabila peningkatan tersebut dibiarkan, konsumsi energi Indonesia, yang didominasi oleh bahan bakar fosil, akan menyebabkan penurunan kualitas udara sekitar dan peningkatan emisi gas rumah kaca. Selain itu, produksi minyak dan gas Indonesia saat ini semakin mengalami penurunan sehingga tidak mampu lagi memenuhi kebutuhan energi. Kepedulian terhadap permasalahan-permasalahan di atas menyebabkan pemerintah mendorong peningkatan penyediaan sumber energi melalui pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan (EBT). Biomassa merupakan salah satu bentuk EBT yang tersedia dalam jumlah besar. Biomassa memiliki berbagai variasi rute konversi termokimia. Salah satu rute yang cukup menjanjikan adalah kombinasi antara gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer Tropsch (BGFT). Biomassa digasifikasi kemudian produk gas yang telah dibersihkan digunakan dalam sintesis FT untuk menghasilkan hidrokarbon rantai panjang yang kemudian dikonversikan menjadi diesel ramah lingkungan. Permasalahan utama dalam pengaplikasian sistem BGFT di Indonesia adalah ketersediaan nasional yang melimpah namun tidak terpusat di satu lokasi tertentu. Selain itu, sistem BGFT merupakan teknologi yang mahal, sehingga perlu dikaji mengenai kapasitas sistem BGFT yang ekonomis terkait dengan ketersediaan biomassa di Indonesia. Oleh karena itu melalui penelitian ini akan disusun rencana usaha sistem konversi biomassa menjadi bahan bakar Fischer Tropsch melalui rute gasifikasi. Kata kunci : Gasifikasi, Biomassa, Fischer Tropsch, Indonesia

iii

ABSTRACT Human population, technology development, and economic development has caused growth in Indonesia’s energy consumption. If the growth is left unchecked, Indonesia’s energy consumption, primary met by fossil fuels, will accelerate the country’s contribution to the deterioration of local air quality and the increase of GHG (green house gas) emission. Despite those, Indonesian oil and gas production is declining and can no longer meet the consumption. As a concern of above issues, government seeks to improve the availability of energy in Indonesia through the development of the country’s renewable energy resources. One of those renewable energy resources is biomass. Biomass has a lot of thermochemical conversion routes. Integrated Biomass Gasification and Fischer Tropsch Synthesis (BGFT) is one promising route. Biomass is gasified then gas producer is cleaned and fed into FT reactor. FT product is long chain hydrocarbon that can be cracked into environmental friendly diesel. Despite its abundant resources, Indonesian biomass is available in limited volume on spreaded area. Beside that, BGFT system is an expensive technology which will become cheaper with bigger capacity. Because of that, economic feasibility of BGFT system in Indonesia should be assessed especially related to biomass availability in each area. This research is designed to create business plan for biomass to Fischer-Tropsch plant via gasification.

Key words : Gasification, Biomass, Fischer Tropsch, Indonesia

iv

UCAPAN TERIMA KASIH Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan usulan penelitian yang berjudul “Kajian Tekno Ekonomi Pabrik Konversi Biomassa Menjadi Bahan Bakar Fischer-Tropsch Melalui Proses Gasifikasi”. Laporan ini dibuat sebagai prasyarat kelulusan mata kuliah Metodologi dan Usulan Penelitian, yang merupakan mata kuliah tugas akhir di Program Studi Pasca Sarjana Teknik Kimia ITB.

Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penyusunan laporan penelitian ini : 

Prof. Dr. Herri Susanto dan Dr. Tri Partono Adhi, selaku dosen pembimbing, atas segala saran, bimbingan, dan arahannya,



Dr. Azis Trianto selaku ketua Program Studi Pasca Sarjana Teknik Kimia ITB,



Dr. Conny K. Wachjoe atas berbagai masukan dan dukungannya,



orang tua dan keluarga yang selalu memberikan dukungan,



seluruh teman-teman Lab Simulasi Proses dan mahasiswa S2 Teknik Kimia angkatan 2008 yang memberikan perhatian, semangat, dukungan, dan kerjasama dalam menyelesaikan laporan ini,



semua pihak yang telah membantu dalam penulisan laporan ini.

Penulis mengharapkan kritik, saran, dan masukan dari pembaca demi peningkatan kualitas laporan ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan terutama dalam bidang gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer-Tropsch di Indonesia.

Bandung, Desember 2009

Penulis v

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI .......................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii DAFTAR TABEL .................................................................................................. ix BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................1 I.1

Latar Belakang .........................................................................................1

I.2

Rumusan Masalah....................................................................................3

I.3

Tujuan Penelitian .....................................................................................4

I.4

Ruang Lingkup ........................................................................................4

I.5

Sistematika Penulisan Laporan ................................................................5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA..............................................................................6 II.1

Biomassa ..................................................................................................6 II.1.1. Siklus Karbon Pemanfaatan Biomassa ............................................. 8 II.1.2. Sumber Biomassa Indonesia ............................................................ 9

II.2

Gasifikasi Biomassa ..............................................................................10 II.2.1

Agen Gasifikasi ........................................................................... 12

II.2.2

Sistem Penyediaan Panas pada Reaktor Gasifikasi ..................... 13

II.2.3

Reaktor Gasifikasi ....................................................................... 14

II.2.4

Kondisi Operasi Proses Gasifikasi .............................................. 21

II.3

Pemrosesan Gas Sintesis .......................................................................23

II.4

Pembersihan Gas Hasil Gasifikasi .........................................................23

II.5

Sintesis Fischer Tropsch .......................................................................37

II.6

Pembangkitan Listrik melalui Siklus Kombinasi ..................................43

BAB III PROSEDUR PELAKSANAAN PENELITIAN .....................................46 III.1 Metodologi Penelitian............................................................................46 III.1.1. Kajian Teknologi Proses Sistem BGFT ........................................ 47 III.1.2. Studi Ketersediaan Biomassa ........................................................ 49 III.1.3. Penyusunan Rancangan Pabrik Sistem BGFT .............................. 50 III.1.4. Kajian Ekonomi Proses BGFT ...................................................... 51 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................53 vi

LAMPIRAN A.1 Produksi Kelapa Sawit (ton)......................................................55 LAMPIRAN A.2 Luas Lahan Kelapa Sawit (ha) ..................................................56 LAMPIRAN A.3 Produksi Jagung (ton) ................................................................57 LAMPIRAN A.4 Luas Lahan Jagung (ha) ............................................................58 LAMPIRAN A.5 Produksi Padi (ton) ....................................................................59 LAMPIRAN A.6 Luas Lahan Padi (ha) .................................................................60 LAMPIRAN B. Model Kesetimbangan Reaksi Gasifikasi ....................................61 LAMPIRAN C.1 Perhitungan Rasio Konsumsi Reaktan FT .................................64 LAMPIRAN C.2 Hubungan Antara  dengan selektivitas C5+ .............................65 LAMPIRAN C.3 Defisiensi Hidrogen dalam Hydrocracking ...............................67 LAMPIRAN C.4 Rata-rata Massa Molekuler ........................................................68

vii

DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Perbandingan produksi dan konsumsi energi primer Indonesia .......... 1 Gambar I.2. Sasaran bauran energi nasional 2025 .................................................. 2 Gambar II.1. Skema Sistem Integrasi Gasifikasi Biomassa .................................... 6 dengan Sintesis Fischer Tropsch ............................................................................ 6 Gambar II.2. Net-Zero Carbon Cycle ..................................................................... 8 Gambar II.3. Rute Konversi Termal Biomassa ..................................................... 11 Gambar II.4. Skema reaktor unggun tetap aliran counter-current (kiri) dan cocurrent (kanan) ...................................................................................................... 16 Gambar II.5. Skema Reaktor Bubbling Fluidized Bed ......................................... 17 Gambar II.6. Skema Reaktor Circulated Fluidized Bed ....................................... 18 Gambar II.7. Skema Reaktor Entrained Flow ...................................................... 20 Gambar II.8. Teknologi Pembersihan Gas ............................................................ 24 Gambar II.9. Skema Proses OLGA ....................................................................... 32 Gambar II.10. Perbandingan Kinerja OLGA terhadap teknologi pembersihan gas lainnnya ................................................................................................................. 33 Sumber: Boerrigter (2004) .................................................................................... 33 Gambar II.11. Distribusi Produk sintesis Fischer Tropsch berdasarkan persamaan ASF ....................................................................................................................... 38 Gambar II.12. Konsep Trigeneration sistem BGFT ............................................. 44 Gambar II.13. Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran ................................................................................................... 44 Gambar II.14. Neraca Energi Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran ............................................................................... 45 Gambar II.15. Perbandingan Kebutuhan Investasi untuk berbagai konfigurasi ... 45 Gambar III.1. Metodologi Penelitian Aplikasi Sintesis FT dari gas hasil gasifikasi biomassa ................................................................................................................ 46 Gambar III.2. Peta pemrosesan biomassa menjadi cairan Fischer Tropsch. ........ 47 Gambar III.3. Langkah-langkah studi ketersediaan biomassa .............................. 49 Gambar III.4. Rute Proses BGFT yang akan dikaji .............................................. 50 Gambar III.5. Tahapan Kajian Ekonomi Proses BGFT ........................................ 51 viii

DAFTAR TABEL Tabel I.1 Potensi Energi Nasional (2004) ............................................................... 2 Tabel II.1. Emisi CO2 yang dihasilkan dalam produksi energi menggunakan berbagai bahan baku ................................................................................................ 9 Tabel II.2 Rincian Potensi Biomassa di Indonesia.................................................. 9 Tabel II.3. Data Analisis Proksimat dan Elemental .............................................. 10 untuk beberapa jenis biomassa .............................................................................. 10 Sumber: Laohalidanond K, Jurgen Heil, Christain Wirtgen, The Production of Synthetic Diesel from Biomass, 2008 ................................................................... 10 Tabel II.4. Rata-rata komposisi produk yang dihasilkan untuk beberapa jenis agen gasifikasi ............................................................................................................... 13 Tabel II.5 Aspek-aspek Teknis Gasifikasi menggunakan Fluidized Bed ............. 18 Tabel II.6 Karakteristik berbagai jenis Gasifier .................................................... 19 Tabel II.7. Rangkuman data Kondisi Operasi Beberapa jenis gasifier ................. 22 Tabel II.8. Hasil Filtrasi Alkali ............................................................................. 29 Tabel II.9. Perbandingan partikulat dan kandungan tar untuk beberapa rancangan reaktor gasifikasi biomassa ................................................................................... 30 Tabel II.10. Efisiensi Pemisahan Tar Relatif untuk berbagai jenis scrubber ........ 31 Tabel II.11. Efisiensi Pemisahan Tar penggunaan Wet Scrubber dalam sistem Gasifikasi Biomassa .............................................................................................. 32 Tabel II.12. Tingkat pengurangan tar dan partikulat melalui penggunaan beberapa sistem perbersihan gas........................................................................................... 37 Tabel II.13. Kondisi Pengoperasian Reaktor Fischer Tropsch ............................. 40 Tabel II.14. Perbedaan antara proses sintesis FT dalam reaktor fixed bed dan slurry ..................................................................................................................... 41 Tabel II.15. Selektivitas dan Perolehan Produk pada berbagai Temperatur ......... 43

ix

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Pertambahan

jumlah

penduduk,

kemajuan

teknologi,

dan

peningkatan

perekonomian menyebabkan peningkatan konsumsi energi di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan akan konsumsi energi tersebut tidak diiringi dengan kestabilan harga dan pasokan energi yang mencukupi (Gambar I.1), sehingga memunculkan permasalahan keamanan ketersediaan energi[1]. Dalam Blue Print Energi Nasional 2005 – 2025, dinyatakan bahwa cadangan minyak bumi nasional hanya tersisa hingga 18 tahun ke depan. Rincian potensi energi nasional (2004) diberikan pada Tabel I.1 [2].

Gambar I.1 Perbandingan produksi dan konsumsi energi primer Indonesia (1965-2007) Sumber: BP, Statistical Review of World Energy 2009

2

Tabel I.1 Potensi Energi Nasional (2004) Jenis Energi Fosil

Sumber Daya

Cadangan (proven + possible)

86,9 miliar 9 miliar barel barel Gas 384,7 TSCF 182 TCSF Batubara 57 miliar ton 19,3 miliar ton Sumber: Blueprint Energi Nasional 2005-2025 Minyak

Produksi (per tahun)

Rasio Cadangan/Produksi (tanpa eksplorasi) Tahun

500 juta barel

18

3,0 TSCF 130 juta ton

61 147

Penggunaan energi fosil seperti minyak bumi, gas, dan batu bara juga memunculkan isu lingkungan dalam hal emisi CO2 dan pemanasan global. Gas rumah kaca seperti karbondioksida (CO2), metana (CH4), dan NO2 membentuk lapisan di atmosfir yang dapat menahan panas yang akan keluar dari bumi sehingga menyebabkan atmosfir bumi semakin panas (pemanasan global). Selain CO2, penggunaan bahan bakar fosil juga menghasilkan emisi polutan seperti CO, NO, SO2, VOC, POP, PAH, partikulat, logam beracun (Cd, Hg, As, dll.) ke udara.

Kepedulian terhadap permasalahan-permasalahan di atas mendorong keluarnya kebijakan pengurangan konsumsi bahan bakar fosil dan peningkatan penggunaan energi baru terbarukan (EBT) yang dituangkan dalam bentuk sasaran bauran energi primer nasional 2025 sebagaimana diilustrasikan pada Gambar I.2 [3]. Salah satu upaya untuk memenuhi target bauran energi nasional tersebut adalah penggalakkan penggunaan biomassa sebagai sumber energi.

Gambar I.2. Sasaran bauran energi nasional 2025

3

Biomassa merupakan salah satu bentuk EBT yang tersedia dalam jumlah besar. Biomassa yang banyak dihasilkan di Indonesia diantaranya adalah tandan kosong sawit, tongkol jagung, dan sekam padi. Berdasarkan data Departemen Pertanian[4], pada tahun 2008 produksi kelapa sawit Indonesia mencapai 18 juta ton. Dari produksi tersebut dihasilkan limbah tandan kosong kelapa sawit sebanyak 22-23 % atau sekitar 4 juta ton. Sedangkan produksi jagung Indonesia pada tahun 2008 mencapai 16 juta ton dan tersebar di area perkebunan seluas 4 juta hektar. Dari produksi jagung tersebut dihasilkan limbah tongkol jagung sebanyak 1 ton per hektar atau sekitar 4 juta ton. Produksi padi yang mencapai 60 juta ton pada tahun 2009 juga menghasilkan limbah biomassa berupa sekam padi sebanyak 35 % atau sekitar 21 juta ton.

Limbah biomassa tersebut memiliki berbagai variasi rute konversi termokimia. Salah satu rute yang cukup menjanjikan adalah kombinasi antara gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer Tropsch (BGFT). Biomassa digasifikasi kemudian produk gas yang telah dibersihkan digunakan dalam sintesis FT untuk menghasilkan hidrokarbon rantai panjang yang kemudian dikonversikan menjadi diesel ramah lingkungan.

I.2 Rumusan Masalah Sintesis FT dari gas hasil gasifikasi biomassa bukan merupakan hal baru dalam hal pengembangan teknologi pemanfaatan biomassa. Permasalahan utama yang dihadapi oleh peneliti biomassa di Indonesia adalah melimpahnya ketersediaan biomassa nasional namun hanya terkumpul dalam jumlah yang relatif kecil. Selain itu, ketersediaan biomassa juga tidak terpusat di satu tempat saja, melainkan tersebar di Kabupaten/Kota. Selain itu, sistem BGFT merupakan teknologi yang terbilang mahal untuk diterapkan di Indonesia. Sebagai ilustrasi, produksi FT diesel dari sistem BGFT berkapasitas 150 juta galon/tahun memakan biaya $8,1/galon.

4

Oleh karena itu, penelitian ini dirancang untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan sebagai berikut: 1. Bagaimana konfigurasi sistem BGFT yang cocok untuk diterapkan pada biomassa di Indonesia? 2. Bagaimana kelayakan teknoekonomi implementasi sistem BGFT untuk saat ini dan jangka panjang? Terutama terkait dengan kemampuan pengumpulan jenis biomassa di lokasi tertentu.

Untuk menjawab rumusan permasalahan di atas akan dilakukan kajian sistem BGFT untuk biomassa di Indonesia sesuai dengan ruang lingkup yang akan diberikan dalam sub bab selanjutnya.

I.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: 1.

Mencari konfigurasi sistem BGFT yang cocok untuk diterapkan pada biomassa di Indonesia.

2.

Menentukan kapasitas sistem BGFT yang cocok dengan ketersediaan biomassa di Indonesia.

3.

Mengkaji kelayakan teknoekonomi proses BGFT di Indonesia untuk saat ini dan jangka panjang.

4.

Mengidentifikasi

permasalahan

pengembangan

dan

komersialisasi

teknologi BGFT.

I.4 Ruang Lingkup Lingkup penelitian aplikasi sintesis FT pada gas hasil gasifikasi biomassa adalah: 1.

Kajian pustaka mengenai ketersediaan teknologi proses yang terkait dengan BGFT; a. Teknologi gasifikasi biomassa b. Teknologi pembersihan dan pengkondisian gas hasil gasifikasi biomassa c. Teknologi sintesis Fischer Tropsch d. Teknologi Hydrocracking

5

2.

Studi ketersediaan bahan baku sistem BGFT;

3.

Pemilihan lokasi perencanaan aplikasi sistem BGFT dan pemilihan konfigurasi proses BGFT;

4.

Penyusunan rancangan pabrik sistem BGFT sesuai dengan hasil studi ketersediaan biomassa;

5.

Kajian ekonomi penerapan sistem BGFT beserta analisis sensitivitas; dan

6.

Analisis kemungkinan penerapan sistem BGFT di lokasi lain dengan kapasitas yang sama

I.5 Sistematika Penulisan Laporan Proposal Penelitian ini disusun menjadi 3 (tiga) bab utama. Bab I menyampaikan latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, ruang lingkup penelitian, dan sistematika penulisan laporan. Hasil review mengenai alur pikir dan perkembangan keilmuan terkait dengan proses gasifikasi biomassa, pembersihan dan pengkondisian gas hasil gasifikasi, serta proses sintesis FT diberikan pada Bab II. Laporan ini ditutup dengan paparan pemilihan sistem proses dan metodologi penelitian pada Bab III.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA Proses integrasi gasifikasi biomassa dengan sintesis Fischer Tropsch (BGFT) secara umum dapat dideskripsikan menggunakan gambar II.1.

Gambar II.1. Skema Sistem Integrasi Gasifikasi Biomassa dengan Sintesis Fischer Tropsch

Uraian mengenai masing-masing unit yang terkait dengan sistem BGFT akan diuraikan pada sub bab selanjutnya.

II.1 Biomassa Biomassa adalah sebutan yang diberikan untuk material yang tersisa dari tanaman atau hewan seperti kayu dari hutan, material sisa pertanian serta limbah organik manusia dan hewan. Energi yang terkandung dalam biomassa berasal dari matahari. Melalui fotosintesis, karbondioksida di udara ditransformasi menjadi molekul karbon lain (misalnya gula dan selulosa) dalam tumbuhan. Energi kimia yang tersimpan dalam dalam tanaman dan hewan (akibat memakan tumbuhan atau hewan lain) atau dalam kotorannya dikenal dengan nama bio-energi.

Ketika biomassa dibakar, energi akan terlepas, umumnya dalam bentuk panas. Karbon pada biomassa bereaksi dengan oksigen di udara sehingga membentuk karbondioksida. Apabila dibakar sempurna, jumlah karbondioksida yang dihasilkan akan sama dengan jumlah yang diserap dari udara ketika tanaman tersebut tumbuh.

Di alam bebas, biomassa yang dibiarkan begitu saja di tanah akan terurai dalam waktu yang lama, melepaskan karbondioksida dan energi yang tersimpan

7

perlahan-lahan. Dengan membakar biomassa, energi yang tersimpan akan cepat terlepas dengan dan dapat dimanfaatkan. Oleh karena itu proses konversi biomassa menjadi energi yang berguna meniru proses alam dengan laju yang lebih cepat.

Biomassa dapat digunakan langsung (misalnya membakar kayu untuk pemanas dan memasak) dan dapat juga digunakan untuk produksi biofuel cair (biodiesel dan alkohol) atau biofuel gas (biogas) yang dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil. Misalnya alkohol dari tebu dapat digunakan sebagai bahan pengganti bensin atau biogas dari kotoran hewan dapat digunakan sebagai bahan pengganti gas alam.

Listrik juga dapat dibangkitkan dari beberapa sumber biomassa sehingga dapat dipasarkan sebagai “green power”. Secara alami biomassa memiliki berat jenis yang rendah (bila dibandingkan dengan bahan bakar fosil, biomassa diperlukan dalam jumlah yang jauh lebih besar untuk memproduksi jumlah energi yang sama). Oleh karena itu transportasi dan penanganannya akan jauh lebih sulit dan memakan biaya. Biaya tersebut dapat direduksi dengan menempatkan generator dekat sumber biomassa seperti tempat penggergajian, penggilingan gula, atau penggilingan bubur kayu.

Meskipun biomassa merupakan sumber energi tertua yang dikenal oleh manusia, kontribusinya terhadap total pemanfaatan energi di Indonesia bahkan di dunia masih sangat kecil. Pemahaman akan keterbatasan cadangan sumber energi fosil dan kepedulian terhadap keberlangsungan penyediaan sumber energi tersebut menyebabkan munculnya ketertarikan peneliti terhadap pemanfaatan biomassa pada tahun 1970an. Akan tetapi harga energi yang terus menurun saat itu menyebabkan perkembangan teknologi biomassa tidak begitu pesat. Hingga pada tahun 1980an kepedulian terhadap emisi CO2 yang disebabkan oleh penggunaan energi fosil mengakibatkan dikeluarkannya Kyoto Protocol yang membatasi emisi CO2 yang boleh dilepas ke udara. Untuk mencapai tujuan Kyoto Protocol, proporsi penggunaan energi terbarukan terhadap total penggunaan energi terus

8

ditingkatkan. Sejak saat itu ketertarikan dunia terhadap pemanfaatan biomassa mulai meningkat lagi

II.1.1. Siklus Karbon Pemanfaatan Biomassa Tanaman dapat mengambil CO2 dari atmosfir dan menyimpannya untuk pertumbuhan. Pembakaran biomassa di rumah tangga, proses industri, aktivitas pembangkitan energi, ataupun transportasi mengembalikan CO2 yang tersimpan tersebut ke atmosfir. Tanaman yang baru tumbuh akan terus menjaga keseimbangan siklus karbon di atmosfir

melalui penangkapan kembali CO2.

Siklus karbon seperti itu, atau dikenal dengan nama net-zero carbon cycle, akan terus terjaga selama biomassa tumbuh kembali di dalam siklus-siklus selanjutnya (Gambar II.2). Oleh karena itu penggunaan sumber biomassa yang berkelanjutan sangat berguna untuk memastikan keberlangsungan siklus karbon tersebut.

Gambar II.2. Net-Zero Carbon Cycle

Bary Judd (2003) dalam penelitiannya menyampaikan perbandingan emisi CO2 yang dihasilkan dari proses produksi bahan bakar dari berbagai jenis bahan baku. Perbandingan tersebut diberikan dalam Tabel II.1. Dari Tabel tersebut terlihat bahwa produksi FT diesel dari bahan baku biomassa kayu hanya menghasilkan emisi CO2 sebesar 17 g/MJ. Jauh lebih kecil dibandingkan emisi CO2 yang dihasilkan dari pemrosesan minyak bumi menjadi bahan bakar diesel (86 g/MJ).

9

Tabel II.1. Emisi CO2 yang dihasilkan dalam produksi energi menggunakan berbagai bahan baku

Sumber: Feasibility of Producing Diesel from Biomass in New Zealand, Bary Judd, 2003

II.1.2. Sumber Biomassa Indonesia Biomassa di Indonesia terutama berasal dari limbah hutan, limbah kota, dan limbah pertanian. Salah satu biomassa yang belum terlalu banyak pemanfaatannya adalah tongkol jagung. Dari produksi jagung sebanyak 16 juta ton yang tersebar di area perkebunan seluas 4 juta hektar dihasilkan limbah biomassa tongkol jagung sebanyak 1 ton per hektar atau sekitar 4 juta ton. Selain itu masih banyak lagi limbah pertanian dan perkebunan yang berpotensi untuk dijadikan bahan baku proses BGFT. Rincian potensi biomassa di Indonesia[4] dapat dilihat pada Tabel II.2. Tabel II.2 Rincian Potensi Biomassa di Indonesia No

Komoditas

1

Kelapa sawit

2

Jagung

3

Padi

Produksi (ton)

Luas lahan (ha)

18,089,504

7,007,876

16,317,251

4,001,724

60,325,925

12,327,425

Jenis limbah biomassa yang dihasilkan Tandan kosong kelapa sawit

Tongkol jagung

Sekam Padi

Produksi limbah biomassa (ton/tahun)

3,979,691

4,001,724

21,114,074

Lokasi dengan produksi terbesar Riau, Sumatera Utara, Sumatera Selatan Jawa Timur, Jawa Tengah, Lampung Jawa Timur, Jawa Barat, Jawa Tengah

Perhitungan neraca massa dalam konversi termokimia biomassa membutuhkan data-data karakteristik biomassa yang dinyatakan dalam bentuk analisis proksimat dan elemental. Daya analisis proksimat dan elemental untuk beberapa jenis biomassa[5] diberikan pada Tabel II.3.

10

Tabel II.3. Data Analisis Proksimat dan Elemental untuk beberapa jenis biomassa

Sumber: Laohalidanond K, Jurgen Heil, Christain Wirtgen, The Production of Synthetic Diesel from Biomass, 2008

II.2 Gasifikasi Biomassa Secara umum, terdapat 3 (tiga) rute konversi termal biomassa (Gambar II.3) yaitu melalui pembakaran menggunakan udara berlebih, gasifikasi menggunakan udara parsial, serta pirolisis dan hidrotermal.

11

Gambar II.3. Rute Konversi Termal Biomassa

Dari ketiga rute tersebut, rute yang dapat digunakan untuk menghasilkan gas produser dengan kandungan utama CO dan H2 adalah rute gasifikasi. Kedua jenis bahan bakar tersebut kemudian dapat digunakan untuk dikonversi menjadi bahan kimia lainnya. Tahapan-tahapan yang terjadi dalam rute konversi biomassa hingga menjadi gas produser disampaikan pada sub bab berikutnya.

II.2.1 Pengolahan Awal Umpan Biomassa Sebelum memasuki proses gasifikasi, biomassa harus melalui proses perlakuan awal (pre treatment) seperti pengeringan dan pencacahan. Semakin kering umpan biomassa, efisiensi gasifikasi akan meningkat tetapi kandungan hidrogen dalam produk gas sintesis akan berkurang[6][7][8][9][10]. Hal tersebut menyebabkan produk gas sintesis menjadi kurang menarik untuk digunakan dalam sintesis Fischer Tropsch serta meningkatkan biaya produksi akibat proses pengeringan biomassa[11]. Menurut Faaij dkk.[9], kadar air optimum untuk aplikasi gasifikasi biomassa yang akan dilanjutkan dengan siklus kombinasi berkisar antara 10-15%. Pengeringan dapat dilakukan menggunakan gas buang ataupun kukus. Pada proses sintesis FT dapat dihasilkan sejumlah kukus berkualitas rendah, oleh karena itu pengeringan menggunakan kukus lebih disukai. Selain itu, pengeringan menggunakan kukus menghasilkan emisi yang lebih rendah dan lebih aman apabila mempertimbangkan kemungkinan terjadinya ledakan debu.

12

II.2.2 Gasifikasi Biomassa Proses konversi biomassa menjadi gas umpan dengan kandungan utama gas H2 dan CO2 yang dibutuhkan untuk proses sintesis Fischer Tropsch terjadi di dalam reaktor gasifikasi.

Gasifikasi biomassa merupakan reaksi konversi termal endotermik yang mengubah bahan bakar padat menjadi gas yang mudah terbakar. Oksigen, udara, kukus, atau kombinasi dari senyawa-senyawa tersebut dalam jumlah terbatas dapat berperan sebagai agen oksidasi. Produk gas terdiri atas karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO2), hidrogen (H2), metan (CH4), sedikit hidrokarbon berantai lebih tinggi (etena, etana), air, nitrogen (apabila menggunakan udara sebagai oksidan), dan berbagai kontaminan seperti partikel arang, debu, tar, hidrokarbon rantai tinggi, alkali, amoniak, asam, dan senyawa-senyawa sejenisnya.

Peneliti-peneliti di seluruh dunia telah melakukan analisis proses gasifikasi biomassa dengan fokus pada agen gasifikasi, sistem penyediaan panas, tekanan proses, dan reaktor yang digunakan.

II.2.1 Agen Gasifikasi Salah satu reaksi yang berjalan di dalam reaktor gasifikasi adalah reaksi oksidasi komponen C dan H dalam biomassa menjadi CO2 dan H2O. Suplai oksigen sebagai media oksidasi dapat berupa udara, oksigen murni, ataupun udara yang kaya oksigen. Kekurangan dari proses gasifikasi menggunakan udara adalah dominasi nitrogen dalam produk gas yang menyebabkan pembengkakan ukuran peralatan di sektor hilir[11].

Gasifikasi dengan oksigen sebagai media oksidasi lebih menguntungkan dari segi ukuran alat di sektor hilir, energi kompresi, dan tekanan parsial komponen Fischer Tropsch yang lebih tinggi[11]. Oksigen murni sangat mahal, akan tetapi dapat diakali dengan menggunakan udara yang kaya akan oksigen. Penggunaan udara yang kaya akan oksigen memberikan kombinasi keuntungan pengurangan ukuran

13

peralatan dan media yang tidak terlalu mahal. Perangkat pemisahan udara untuk produksi udara yang kaya akan oksigen dengan kapasitas 576 ton O2/hari memakan biaya sekitar 41,8 juta USD[11]. Tabel II.4. menunjukkan perbandingan variasi komposisi produk gasifikasi dengan oksigen, udara, dan kukus.

Tabel II.4. Rata-rata komposisi produk yang dihasilkan untuk beberapa jenis agen gasifikasi Agen Udara O2 H2O Gasifikasi 15% 40% 40% H2 20% 40% 25% CO 2% 8% CH4 15% 20% 25% CO2 48% 2% N2 0.75 1 1.6 H2/CO Sumber: Gasification of Biomass – An Overview on Available Technologies, ZSW

II.2.2 Sistem Penyediaan Panas pada Reaktor Gasifikasi Kebutuhan panas proses gasifikasi dapat dipenuhi melalui 2 (dua) jenis proses yaitu autothermal dan allothermal. Pada proses autothermal, kebutuhan panas dipenuhi dari proses oksidasi biomassa yang bersifat eksotermik. Sedangkan pada proses allothermal, kebutuhan panas dipenuhi dari sumber eksternal. Contoh sumber panas eksternal yang banyak digunakan adalah sirkulasi padatan panas dan penukar panas terintegrasi.

Menurut Karellas, Karl, dan Kakaras[12], gasifikasi allothermal dapat menghasilkan produk gas yang memiliki nilai kalor tinggi, sehingga gas tersebut selanjutnya dapat dibakar untuk menghasilkan panas dan listrik. Akan tetapi terdapat tantangan utama dalam gasifikasi allothermal yaitu dalam hal perpindahan panas dari sumber panas eksternal ke dalam gasifier. Oleh karena itu Karellas dkk. melakukan inovasi teknologi gasifikasi allothermal menggunakan reaktor yang diberi nama Biomass Heatpipe Reformer (BioHPR). Pada teknologi ini, perpindahan panas dari ruang pembakaran ke dalam gelembung gasifier unggun terfluidisasi dilakukan menggunakan pipa pemanas. Penelitian Karellas

14

dkk. menunjukkan bahwa sistem dengan efisiensi sangat tinggi dapat tercapai apabila gasifikasi biomassa dilakukan pada temperatur yang tinggi dan nisbah kukus berlebih yang rendah.

Senada dengan Karrelas dkk., Keng Tung Wu dan Hom Ti Lee[13] juga menganjurkan penggunaan proses gasifikasi allothermal. Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa proses gasifikasi allothermal dapat menghasilkan nilai panas gas sintesis yang lebih tinggi (mencapai 12 MJ/m3) dibandingkan dengan sistem autothermal (4,2 s.d. 6,3 MJ/m3). Selain itu, gas sintesis hasil gasifikasi allothermal memiliki kandungan hidrogen lebih banyak dan kandungan tar lebih sedikit. Akan tetapi jika dipandang dari neraca energi keseluruhan, keluaran energi bersih (netto) untuk proses gasifikasi allothermal dapat menjadi lebih rendah dibandingkan proses autothermal. Hal tersebut disebabkan fakta bahwa sumber energi eksternal dapat mengkonsumsi lebih banyak energi dan kemungkinan terjadinya hilang panas melalui dinding pipa.

II.2.3 Reaktor Gasifikasi Saat ini terdapat 3 (tiga) jenis utama reaktor gasifikasi yaitu reaktor unggun tetap (fixed bed), reaktor unggun terfluidakan (fluidized bed), dan reaktor entrained flow. Ketiga jenis reaktor tersebut memiliki keunggulan dan kelemahan masingmasing yang akan diuraikan pada sub bab berikutnya.

II.2.3.1. Reaktor Unggun Tetap Di dalam reaktor unggun tetap, biomassa akan mengalir ke bawah (turun) sedangkan gas dapat mengalir ke atas (counter-current) ataupun ke bawah (cocurrent). Di dalam aliran counter-current, gas keluaran reaktor memiliki temperatur sekitar 80-100oC dan dihasilkan banyak tar. Oleh karena itu reaktor jenis ini biasanya langsung dipasangkan dengan combuster. Jenis reaktor aliran counter-current ini digunakan oleh Primenergy (PRM) dan Lurgi. Keuntungan penggunaan reaktor unggun tetap counter-current adalah sebagai berikut:

15 ~ Sederhana, proses lebih murah ~ Dapat menangani biomassa yang memiliki kandungan air dan material anorganik tinggi (misalnya sampah kota) ~ Teknologi yang sudah terbukti (proven)

Sedangkan kekurangan utama dari penggunaan gasifier jenis ini adalah kandungan tar yang mencapai 10-20% berat, sehingga dibutuhkan proses pembersihan gas yang lebih ekstensif sebelum dilanjutkan ke unit operasi lainnya.

Di dalam reaktor unggun tetap aliran co-current, gas keluaran reaktor umumnya memiliki temperatur 700oC. Di dalam jenis aliran ini, kandungan air harus kurang dari 20% untuk menjaga temperatur tetap tinggi. Kandungan debu harus rendah dan non-slagging. Umpan harus memiliki ukuran partikel yang seragam. Jenis reaktor co-current digunakan oleh Community Power BioMAX. Keunggulan reaktor jenis ini adalah: ~ Hampir 99,9% tar yang terbentuk dikonsumsi kembali, sehingga hampir tidak membutuhkan proses pembersihan tar ~ Mineral terbawa dalam char/debu, sehingga kebutuhan siklon dapat dikurangi ~ Teknologi proven, sederhana, dan biaya yang dibutuhkan lebih murah

Meskipun demikian, masih terdapat kekurangan teknologi unggun tetap cocurrent ini, yaitu: ~ Membutuhkan pengeringan umpan hingga kandungan airnya <20% ~ Gas sintesis yang keluar dari reaktor memiliki temperatur yang tinggi, sehingga membutuhkan sistem pemanfaatan panas sekunder ~ 4-7% kandungan karbon tidak terkonversikan

Skema reaktor unggun tetap diberikan pada Gambar II.4.

16

Gambar II.4. Skema reaktor unggun tetap aliran counter-current (kiri) dan co-current (kanan) Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

II.2.3.2. Reaktor Unggun Terfluidakan Terdapat 2 (dua) jenis pengoperasian reaktor unggun terfluidakan yaitu bubbling fluidized bed (BFB) dan circulating fluidized bed (CFB). Di dalam reaktor BFB, aliran gas mengalir ke atas melalui unggun yang terdiri atas material granuler yang bebas bergerak (misalnya pasir). Kecepatan aliran gas harus cukup tinggi untuk menjaga agar pasir tetap berada pada kondisi terfluidisasi. Gas yang digunakan umumnya adalah udara, oksigen, ataupun kukus. Sedangkan material pasir yang umum digunakan adalah dolomite, calcite, atau alumina. Jenis reaktor unggun terfluidakan memiliki keunggulan dalam hal pencampuran yang baik serta perpindahan massa dan panas yang baik pula. Gasifikasi yang dijalankan pada reaktor jenis ini sangat efisien dan umumnya dapat mencapai konversi karbon 9599%. Debu yang terbawa oleh gas dipisahkan menggunakan siklon. Jenis reaktor BFB (Gambar II.5) digunakan oleh EPI, GTI-RENUGAS, Carbona, FosterWheeler, dan MTCI.

Keunggulan penggunaan gasifier BFB adalah: ~ Perolehan gas produk lebih seragam ~ Profil temperatur di sepanjang reaktor lebih seragam ~ Rentang ukuran partikel yang dapat dioperasikan dalam gasifier ini lebih lebar, termasuk partikel halus

17 ~ Laju perpindahan panas antara material inert, bahan bakar, dan gas lebih cepat ~ Konversi tinggi sedangkan produk tar dan karbon yang tak terkonversi rendah

Kekurangan utama penggunaan gasifier BFB adalah kemungkinan terbentuknya ukuran gelembung yang besar di sepanjang unggun.

Gambar II.5. Skema Reaktor Bubbling Fluidized Bed Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

Apabila kecepatan aliran gas melewati 9 m/s, hampir seluruh padatan material pasir terbawa oleh aliran sehingga pengoperasian reaktor menjadi CFB. Material pasir dipisahkan dari aliran gas di dalam siklon sedangkan debu-debu halus dipisahkan dari gas menggunakan dusting equipment. Jenis reaktor CFB (Gambar II.6) digunakan oleh FERCO. Keunggulan reaktor CFB adalah: ~ cocok untuk reaksi yang berjalan dengan cepat, ~ laju perpindahan panas cepat akibat pengaruh dari kapasitas panas material unggun yang tinggi ~ diperoleh konversi tinggi, produksi tar rendah, dan karbon tak terkonversi rendah Kelemahan reaktor ini adalah: ~ terbentuknya gradient temperatur di arah aliran padatan, ~ ukuran partikel sangat menentukan laju transport minimum, kecepatan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan erosi peralatan, ~ perpindahan panas tidak seefisien BFB.

18

Gambar II.6. Skema Reaktor Circulated Fluidized Bed Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

Tijmensen dkk[18] telah melakukan kajian teknis kondisi proses gasifikasi menggunakan gasifier unggun terfluidakan. Hasil kajian tersebut diberikan pada Tabel II.5. Mereka juga mengkaji berbagai jenis gasifier yang tersedia dan sedang dikembangkan. Hasil kajian yang diberikan pada Tabel II.6. menunjukkan rentang komposisi gas sintesis yang cukup luas sehingga dapat merepresentasikan variasi CO:H2 maksimum yang masih mungkin dicapai. Tabel II.5 Aspek-aspek Teknis Gasifikasi menggunakan Fluidized Bed Gasifikasi bertekanan Gasifikasi atmosferik (+) Peralatan di sisi hilir lebih kecil dan secara (-) Ukuran peralatan di sisi hilir lebih besar umum lebih murah terutama untuk peralatan berskala besar (-) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan (+) Reaktor gasifikasi (gasifier) memakan biaya yang lebih besar apabila skala proses biaya yang lebih murah apabila skala lebih kecil proses lebih kecil (-) Sulit menjaga laju massa di dalam gasifier (+) Terdapat banyak pengalaman komersial agar tetap konstan, sehingga pengalaman menggunakan udara sebagai agen operasi masih terbatas pada proyek-proyek gasifikasi demo Oksigen Udara (-) Dibutuhkan pabrik pemisahan udara, (+) Proses lebih murah sehingga skala kecil kurang ekonomis (+) Gas sintesis larut dalam N2, berpengaruh (+) Tidak terjadi pelarutan gas sintesis oleh N2 pada selektivitas C5+ Pemanasan Langsung Pemanasan Tidak Langsung (+) Produksi tar lebih sedikit (-) Produksi tar lebih banyak Sumber: Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification, Tijmensen, 2002

Tabel II.6 Karakteristik berbagai jenis Gasifier

Sumber: Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification, Tijmensen, 2002

II.2.3.3. Reaktor Entrained Flow Reaktor entrained flow dapat dibagi menjadi 2 (dua) jenis yaitu slagging dan non slagging. Di dalam gasifier slagging, komponen-komponen yang terbentuk dari parikel debu dapat meleleh di dalam gasifier, mengalir turun di sepanjang dinding reaktor, dan meninggalkan reaktor dalam bentuk slag cair. Secara umum, laju alir massa slag sekurang-kurangnya 6 % dari laju alir bahan bakar untuk memastikan proses berjalan dengan baik[17]. Di dalam gasifier non slagging, dinding reaktor tetap bersih dari slag. Jenis gasifier ini cocok untuk umpan yang kandungan partikel debu nya tidak terlalu tinggi. Skema reaktor entrained flow diberikan pada Gambar II.7.

Gambar II.7. Skema Reaktor Entrained Flow Sumber: Biomass Thermochemical Conversion, Paul Grabowski, 2004

Kelakuan partikel debu yang dihasilkan oleh biomassa diteliti secara detail oleh Boerrigter dkk[17]. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa partikel debu yang dihasilkan oleh biomassa, khususnya biomassa kayu, sulit meleleh pada temperatur operasi gasifier entrained flow (1300-1500

o

C). Hal tersebut

disebabkan kenyataan bahwa partikel debu tersebut banyak mengandung CaO. Oleh karena itu gasifier non slagging sepertinya menjadi pilihan utama untuk proses gasifikasi, juga dengan pertimbangan bahwa jenis gasifier ini lebih murah. Akan tetapi gasifier entrained flow jenis slagging lebih disukai untuk operasi gasifikasi dengan umpan biomassa. Alasan yang paling penting adalah (1) pelelehan sebagian kecil komponen partikel debu tidak akan pernah dapat

21

dihindari dan (2) gasifier entrained flow jenis slagging lebih fleksibel terhadap jenis biomassa yang akan digunakan. Fleksibilitas jenis umpan ini bahkan dapat diperluas hingga ke batu bara. Penambahan agen fluks seperti silica atau clay diperlukan. Selain itu recycle slag juga diperlukan.

Penggunaan reaktor entrained flow jenis slagging untuk batu bara sudah dapat diaplikasikan. Oleh karena itu, penambahan material fluks menyebabkan slag yang dihasilkan melalui gasifikasi biomassa menjadi mirip dngan slag yang dihasilkan oleh gasifikasi batu bara. Sehingga tidak terdapat permasalahan untuk proses gasifikasi itu sendiri apabila umpan yang digunakan bukan batu bara, melainkan biomassa. Akan tetapi tantangan utama yang timbul adalah dalam hal pengumpanan biomassa[17].Sebagaimana telah dikaji oleh peneliti-peneliti di seluruh dunia, proses gasifikasi dapat terjadi pada tekanan yang berbeda, melalui proses pemanasan langsung ataupun tidak langsung, serta menggunakan udara atau oksigen.

II.2.4 Kondisi Operasi Proses Gasifikasi Proses gasifikasi bertekanan memiliki beberapa keuntungan secara ekonomi: ukuran reaktor gasifikasi yang dibutuhkan lebih kecil sehingga kapasitas reaktor dapat ditingkatkan semaksimum mungkin, tidak dibutuhkan kompresi tambahan (karena proses sintesis FT selanjutnya bertekanan tinggi), temperatur dapat dijaga tetap tinggi apabila proses selanjutnya membutuhkan umpan bertemperatur tinggi. Akan tetapi pada tekanan di atas 25-30 bar, gasifier harus dibangun menggunakan bahan yang lebih tahan tekanan dan proses pengumpanan menjadi mahal[11].

Ciferno dan Marano (2002) telah melakukan benchmark terhadap berbagai teknologi gasifikasi biomassa. Dalam studinya, mereka memberikan rangkuman data rata-rata kondisi operasi untuk beberapa jenis gasifier yang diberikan pada Tabel II.7.

22

Tabel II.7. Rangkuman data Kondisi Operasi Beberapa jenis gasifier

Sumber: Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals, and Hydrogen Production, Ciferno dan Marano, 2002

Gasifikasi biomassa di dalam interconnected fluidized beds diteliti oleh Laihong Shen, Yang Gao, dan Jun Xiao dari China[16]. Interconnected fluidized beds menyerupai circulating fluidized bed (CFB) yang dilengkapi dengan ekstra bubbling fluidized bed setelah siklon. CFB dirancang untuk pembakaran umpan menggunakan udara, sedangkan bubbling fluidized bed dirancang untuk gasifikasi umpan menggunakan kukus. Kontak langsung antara proses gasifikasi dan pembakaran harus dihindari; kebutuhan panas gasifikasi diperoleh dari sirkulasi partikel unggun. Produk gas kaya H2 yang dihasilkan bebas dari larutan N2 meskipun media pembakaran yang digunakan adalah udara. Hasil-hasil yang diperoleh antara lain: 

Temperatur gasifikasi harus berada pada rentang 750 – 800 oC, sedangkan temperatur pembakaran haruslah 920 oC, dan rasio kukus/biomassa harus berada pada rentang 0,6-0,7.



Ketika temperatur gasifier ditingkatkan, kandungan H2 meningkat drastis, dan mencapai nilai maksimum pada temperatur sekitar 800 oC selanjutnya konstan. CO di dalam fuel gas meningkat seiring dengan peningkatan temperatur gasifier, sementara CO2 dan CH4 menurun.



Kandungan H2 dan CO2 meningkat perlahan seiring dnegan peningkatan rasio kukus/biomassa, sementara kandungan CO terus menurun

23 

Increment perolehan hidrogen cukup besar seiring dengan rasio kukus/biomassa pada temperatur gasifikasi yang lebih rendah (di bawah 750 oC). Terdapat nilai optimal rasio kukus/biomassa terhadap temperatur gasifier. Rasio kukus/biomassa terhadap perolehan hidrogen maksimal berkurang seiring kenaikan temperatur gasifikasi.



Konversi karbon pada biomassa berkurang seiring dengan kenaikan temperatur gasifier dan rasio kukus/biomassa. Untuk mempertahankan temperatur gasifier, resirkulasi partikel unggun harus dijaga pada rentang 4-14 untuk temperatur pembakaran 920 oC, temperatur gasifier antara 750800 oC, dan rasio kukus/biomassa = 0,7.

II.3 Pemrosesan Gas Sintesis Gas sintesis yang dihasilkan dari gasifikasi biomassa memiliki kandungan utama H2, CO, CO2, dan CH4. Komposisi gas-gas tersebut di dalam gas sintesis dapat disesuaikan dengan kebutuhan proses sintesis FT menggunakan proses reformasi metana (mengkonversikan CH4 menggunakan kukus menjadi CO dan H2), reaksi pergeseran

(menyesuaikan

rasio

H2/CO

dengan

mengkonversikan

CO

menggunakan kukus menjadi H2 dan CO2), dan penghilangan CO2 yang dapat mengurangi komposisi gas-gas inert yang akan masuk ke dalam proses FT. Reaksi reformasi metana dijalankan di dalam autothermal reformer (ATR), sedangkan penghilangan CO2 dilakukan menggunakan proses amine treating.

II.4 Pembersihan Gas Hasil Gasifikasi Gas sintesis yang dihasilkan dari proses gasifikasi mengandung berbagai kontaminan seperti partikulat, tar yang mudah terkondensasi, senyawa alkali, H2S, HCl, NH3, dan HCN. Kontaminan-kontaminan tersebut dapat menurunkan aktivitas sintesis FT akibat peracunan katalis. Sulfur merupakan racun katalis Co dan Fe (juga merupakan racun bagi katalis reaksi pergeseran dan reformasi), karena dapat menutupi area aktif katalis. Toleransi terhadap kontaminan tersebut sangat rendah, sehingga diperlukan proses pembersihan yang lebih mendalam.

24

Skema teknologi berbagai strategi pembersihan gas hasil gasifikasi dan teknologi yang sudah dikembangkan baik secara komersial maupun dalam tahap demonstrasi diberikan dalam Gambar II.8.

Gambar II.8. Teknologi Pembersihan Gas Sumber: Biomass Gasifier ‘Tars’: Their Nature, Formation, and Conversion

11.5.1. Teknologi Pemisahan Partikulat Kebutuhan proses pemisahan partikulat sangat bervariasi, bergantung pada penggunaan produk gas selanjutnya. Sebagai ilustrasi, kandungan partikulat harus dikurangi hingga di bawah 50 mg/Nm3 apabila ingin digunakan dalam gas engine (Abatzoglou dkk., 2000), di bawah 15 mg/Nm3 (>5m) untuk turbin, dan sekitar 0,02 mg/Nm3 untuk gas sintesis (Graham dan Bain, 1993). Jenis-jenis teknologi yang umum digunakan untuk pemisahan partikulat antara lain: cyclonic filter, barrier filter, electrostatic filter, dan wet scrubber. Penjelasan untuk masingmasing teknologi akan disampaikan pada sub bab selanjutnya.

25

11.5.1.1. Cyclonic Filter Cyclonic Filter merupakan unit utama yang digunakan untuk menghilangkan partikulat curah dari aliran gas. Siklon ini menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan padatan dari gas dengan mengarahkan aliran gas menuju jalur melingkar. Karena pengaruh gaya inersia, partikulat tidak akan mampu mengikuti jalur tersebut sehingga akan terpisahkan dari aliran gas. Meskipun secara fisik pemisahan partikulat cukup kompleks, filter siklon dengan kinerja yang sudah diprediksikan sebelumnya dapat dirancang menggunakan teknologi teoritis dan empiris yang sudah dikembangkan selama ini.

Filter siklon (seringkali dirancang sebagai tube berbentuk U) umumnya digunakan sebagai langkah pembersihan gas yang paling pertama di sebagian besar sistem gasifikasi karena unit ini dipandang cukup efektif dan relatif murah untuk dibangun dan dioperasikan. Di dalam gasifier unggun terfluidakan ataupun entrained bed, sikon merupakan bagian terintegrasi dalam perancangan reaktor yang digunakan untuk memisahkan material unggun dan partikulat lainnya dari aliran gas.

Filter partikulat efektif untuk memisahkan partikel yang ukurannya lebih besar dan dapat dioperasikan pada rentang temperatur yang cukup besar. Batasan utamanya hanya pada segi bahan konstruksi. Filter siklon, seringkali dirancang dalam bentuk beberapa unit yang dipasang seri (multi-clones), dapat memisahkan >90% partikulat berdiameter 5m dengan penurunan tekanan minimum 0,01 atm. Pemisahan partikulat dengan diameter 1-5m secara parsial juga masih memungkinkan, namun filter siklon menjadi tidak efektif untuk memisahkan partikel sub-micron. Karena filter siklon dapat dioperasikan pada temperatur tinggi, panas sensible dalam produk gas dapat dipertahankan.

Filter siklon juga dapat memisahkan tar yang terkondensasi dan material alkali dari aliran gas, namun bentuk uap dari kedua jenis kontaminan tersebut masih akan terbawa oleh aliran gas. Dalam praktiknya, pemisahan sejumlah tar secara signifikan dapat dilakukan secara sekuensial dengan cara memisahkan partikulat

26

pada temperatur yang lebih tinggi sehingga tar akan tetap berada pada fasa gas. Aliran gas kemudian didinginkan dan tar yang terkondensasi kemudian dipisahkan. Cara tersebut dapat mengurangi kecenderungan menempelnya partikulat di permukaan terlapisi tar yang dapat menyebabkan penyumbatan. Filter siklon sangat sering digunakan dalam berbagai proses dan tersedia secara komersial dari berbagai vendor. Teknologi filter siklon merupakan teknologi yang sudah matang dan pengembangannya di masa depan dapat dikatakan tidak akan terlalu signifikan.

11.5.1.2. Barrier Filter Barrier filter terdiri atas material berpori yang dapat dilewati aliran gas namun tidak dapat dilewati oleh partikulat. Filter jenis ini dapat memisahkan partikulat berdiameter kecil dalam rentang 0,5-100 m. Barrier filter dapat dirancang untuk memisahkan hampir semua ukuran partikulat, termasuk rentang sub-micron, namun penurunan tekanan di sepanjang filter akan meningkat seiring dengan penurunan ukuran pori. Sehingga terdapat hambatan teknik dan ekonomi dalam penggunaan sistem tersebut untuk pemisahan partikel dengan ukuran di bawah 0,5 m.

Barrier filter dibersihkan dengan cara melewatkan pulse gas bersih secara periodik melewati filter dengan arah yang berlawanan dengan aliran gas normal. Untuk mengurangi beban partikulat secara keseluruhan, filter tersebut ditempatkan setelah filter siklon. Barrier filter sangat efektif untuk memisahkan partikulat kering namun kurang cocok untuk kontaminan yang basah dan lengket seperti tar. Tar dapat menempel di permukaan filter hingga terjadi reaksi karbonisasi yang menyebabkan pengerakan dan penyumbatan.

Jenis barrier filter yang cocok untuk digunakan dalam sistem biomassa antara lain: 

filter cross-flow yang dibangun menggunakan logam atau keramik



bag filter yang dibangun dari material kayu



packed bed filter

27

11.5.1.3. Electrostatic Filter Electrostatic Filter sangat sering digunakan di dalam berbagai operasi pembersihan gas. Di dalam sistem ini, produk gas mengalir melalui elektroda bertegangan tinggi yang mengalirkan arus listrik ke partikulat, namun tidak mempengaruhi aliran gas permanen. Partikulat kemudian dikumpulkan sementara aliran gas mengalir melewati pelat pengumpul pada kutub yang berlawanan. Partikulat yang sudah dialiri arus kemudian bermigrasi ke pelat pengumpul dan mengendap di permukaannya. Partikulat dipisahkan dari pelat menggunakan metode basah atau kering. Scrubber kering menggunakan aksi mekanik untuk memisahkan material dari permukaan secara periodik dan dioperasikan pada temperatur 500 oC atau lebih. Sedangkan scrubber basah memisahkan partikulat menggunakan aliran air yang membentuk film tipis di permukaan dan dioperasikan pada temperatur sekitar 65 oC.

Electrostatic Filter telah banyak digunakan dalam sistem pembangkit listrik batubara dan digunakan juga dalam beberapa fasilitas pembakaran biomassa. Penggunaannya dalam gasifikasi skala menengah ataupun besar masih terbatas. Electrostatic Filter paling cocok untuk digunakan dalam operasi skala besar karena ukuran fisik dan harganya. Satu-satunya hambatan penggunaan filter ini dalam sistem gasifikasi hanya dari segi ekonomi.

Contoh pengguna jenis filter ini adalah Easymon AG gasifier di Boizenberg Jerman dan Harboore gasifier di Denmark. Kedua sistem tersebut memproduksi bahan bakar untuk gas engine dan memiliki pembangkit listrik dengan kapasitas 3,5 dan 1 MW. Pada kedua kasus tersebut, gas diproduksi menggunakan gasifier fixed bed up draft. Di Jerman, gas pertama kali didinginkan kemudian dilewatkan pada siklon dan catalytic tar cracker. Sedangkan Electrostatic Precipitator (kering) dipasang di bagian akhir untuk memisahkan sisa-sisa partikulat. Di Denmark, sistem tidak memiliki tar cracker dan gas yang sudah didinginkan melewati siklon kemudian langsung dialirkan ke electrostatic precipitator basah. Pada kedua kasus, produk gas sama-sama dilewatkan ke wet scrubber sebelum digunakan.

28

11.5.1.4. Wet Scrubber Wet Scrubber menggunakan penyemprot cair, umumnya air, untuk memisahkan partikulat. Partikel dikumpulkan melalui tumbukan dengan tetesan cairan, kemudian tetesan tersebut dipisahkan kembali dari aliran gas di dalam demister. Wet Scrubber yang paling umum digunakan adalah venturi scrubber yang dapat menciptakan penurunan tekanan sehingga larutan dapat disemprotkan dengan mudah ke aliran gas. Kecepatan gas berkisar antara 60 s.d. 125 m/detik di area „tenggorokan‟. Efisiensi pemisahan partikulat sebanding dengan penurunan tekanan di sepanjang venturi. Dengan penurunan tekanan antara 2,5-25 kPa, scrubber jenis ini dapat memisahkan 99,9% partikel berukuran di atas 2 m, dan 95-99% partikel 1 m (Baker dkk, 1986).

Partikulat basah dari venturi kemudian dipisahkan dari aliran gas menggunakan demister. Demister dapat berbentuk siklon, packed bed, ataupun jenis pengumpul lainnya. Proses Wet Scrubbing mengharuskan air tetap berada pada fasa cair, sehingga produk gas harus didinginkan hingga di bawah 100 oC. Kehilangan panas sensible tersebut biasanya tidak diinginkan.

Sebagian besar sistem gasifikasi biomassa yang menggunakan Wet Scrubber umumnya menggunakan teknologi tersebut semata-mata untuk memisahkan tar, bukan partikulat. Penghilangan partikulat secara terpisah dapat mencegah kondensasi tar lengket pada permukaan partikulat, sehingga pengerakan dan penyumbatan dapat dicegah. Penggunaan Wet Scrubber untuk memisahkan tar akan dijelaskan lebih detail pada sub bab selanjutnya.

11.5.2. Teknologi Pemisahan Senyawa Alkali Mineral dalam biomassa bung gaanyak mengandung garam-garam alkali, terutama potasium. Pada temperatur sekitar 800 0C garam alkali dapat menguap sehingga apabila didinginkan di sisi hilir akan mengendap dan menimbulkan masalah. Umumnya gasifier yang digunakan dalam skala besar bekerja pada temperatur 700-900 oC, oleh karena itu senyawa alkali sangat mungkin muncul pada berbagai sistem gasifikasi. Senyawa alkali akan tetap berada pada fasa uap di

29

dalam aliran gas hingga terjadi kondensasi ketika gas didinginkan hingga temperatur di bawah 650 oC. Uap alkali akan terkondensasi menjadi partikulat kecil (<5 m) dan dapat juga terkondensasi di permukaan partikulat lain ataupun di permukaan sistem. Pemisahan material terkondensasi ini sangat penting apabila gas akan digunakan pada aplikasi seperti tubin gas. Karena pada aplikasi tersebut, senyawa alkali akan teruapkan kembali pada temperatur tinggi dan terbawa ke zona pembakaran.

Pada kebanyakan sistem gasifikasi saat ini, uap alkali dipisahkan dengan cara mendinginkan produk gas hingga temperatur di bawah 600 oC agar senyawa alkali dapat terkondensasi menjadi partikulat padat. Padatan kemudian dipisahkan menggunakan berbagai sistem filtrasi yang telah dijabarkan sebelumnya. Pada sistem yang sensitif terhadap endapan garam alkali, sistem filtrasi harus memperhitungkan ukuran partikel yang sangat kecil dan kelakuan kimia dari material alkali yang terkondensasi tersebut. Siklon misalnya, akan menjadi tidak efektif untuk memisahkan padatan berukuran < 5 m.

Saat ini, metode yang paling efektif untuk memisahkan alkali adalah dengan cara mendinginkan produk gas hingga temperatur operasi teknologi pemisahan padatan lainnya seperti electrostatic filter, bag filter, atau wet scrubber. Meskipun sistem tersebut cukup efektif, kebutuhan pendinginan produk gas dan kehilangan panas sensible dapat mengurangi efisiensi sistem.

Turn dkk. (1999) melakukan kajian pemisahan alkali dari sebuah sistem gasifikasi yang dijalankan pada temperatur 825 oC yang dilengkapi dengan filter bauksit pada temperatur 650-725 oC. Hasil penelitiannya diberikan dalam Tabel II.8. Tabel II.8. Hasil Filtrasi Alkali

Alkali

Na K

Konsentrasi terukur tanpa filter bauksit (ppm) 28 11 Sumber: Turn, dkk. (1999)

Konsentrasi terukur dengan filter bauksit (ppm) 0,07 0,58

30

Dari Tabel II.8 dapat dilihat bahwa penggunaan filter gas panas dapat mengurangi konsentrasi sodium dan potassium di dalam aliran gas secara signifikan.

11.5.3. Teknologi Pemisahan Tar Pemisahan tar dari aliran gas sangat penting dalam sistem gasifikasi. Ketika produk gas mendingin, tar yang teruapkan akan terkondensasi pada permukaan yang lebih dingin ataupun pada permukaan partikulat. Proses pemisahan tar menjadi penting karena ketika gas harus didinginkan akibat kebutuhan aplikasi selanjutnya, tar terkondensasi dapat menyebabkan permasalahan operasional.

Untuk berbagai sistem yang sensitif terhadap pembentukan tar, sangat penting untuk mengurangi produksi tar yang terkandung dalam gas keluaran gasifier. Hal ini dapat dilakukan melalui pemilihan dan optimasi rancangan gasifier seperti disampaikan dalam Tabel II.9.

Tabel II.9. Perbandingan partikulat dan kandungan tar untuk beberapa rancangan reaktor gasifikasi biomassa

Jenis Gasifier Unggun Tetap Downdraft Updraft Unggun Bergerak Fluidized Bed Circulated Fluidized Bed

Partikulat (g/Nm3) Tar (g/Nm3) Rendah Tinggi Rentang Minimum Maksimum Rentang

0,01 0,1

10 3

0,1-0,2 0,1-1

0,04 1

6 150

0,1-1,2 20-100

1

100

2-20

<0,1

23

1-15

8

100

10-35

<1

30

1-15

Sumber: Graham dan Bain, 1993; Neeft, dkk., 1999

Mencocokkan jenis gasifier yang digunakan dengan aplikasi penggunaan produk gas selanjutnya merupakan langkah yang paling krusial untuk mencegah permasalahan akumulasi tar. Pemisahan tar dapat dilakukan melalui proses fisik maupun melalui proses berkatalis. Penjelasan mengenai kedua proses tersebut akan disampaikan dalam sub bab selanjutnya.

31

11.5.3.1. Teknologi Pemisahan Tar secara Fisik Proses pemisahan tar yang paling umum dilakukan saat ini adalah melalui pendinginan produk gas sehingga tar dapat terkondensasi pada permukaan tetesan aerosol dan kemudian tetesan tersebut dipisahkan menggunakan teknologi yang mirip dengan pemisahan partikulat. Teknologi tersebut antara lain wet scrubber, electrostatic precipitator, atau siklon. Partikulat dihilangkan secara terpisah dengan tar. Namun apabila memungkinkan, pemisahan partikulat dan tar dapat dilakukan secara simultan.

Wet scrubber akan mengumpulkan tar dengan cara melewatkan material tersebut ke dalam tetesan air. Tar dan cairan mengalir ke dalam demister atau decanter untuk kemudian dipisahkan. Penggunaan air di dalam scrubber ini menyebabkan aliran gas harus berada pada temperatur 35-60oC. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mencari pengganti air seperti berbagai jenis minyak, namun penelitian-penelitian tersebut masih dalam tahap eksperimen.

Berbagai rancangan scrubber tersedia secara komersial seperti spray tower, impingement scrubber, baffle scrubber, dan venturi scrubber. Kaitan antara kompleksitas dan efisiensi scrubber tersebut diberikan dalam Tabel II.10. Wet scrubber telah banyak digunakan dalam industri pemrosesan gas dan kinerjanya sudah sangat baik.

Tabel II.10. Efisiensi Pemisahan Tar Relatif untuk berbagai jenis scrubber

Pressure drop, cm air

Spray Tower Impingiment Packed Bed Venturi

1,5-4 5-125 5-125 10-250

Ukuran partikel (m) untuk pengumpulan hingga 80% 10 1-5 1-10 0,2-0,8

Sumber: Baker dll, 1986

Wet Scrubber juga sudah banyak digunakan untuk pembersihan gas hasil gasifikasi biomassa. Kinerja untuk beberapa jenis scrubber disampaikan dalam Tabel II.11.

32

Tabel II.11. Efisiensi Pemisahan Tar penggunaan Wet Scrubber dalam sistem Gasifikasi Biomassa

Teknologi

Efisiensi Pemisahan Tar 11-25% tar berat Spray Tower 40-60% PAH 0-60% senyawa fenolik Spray Tower 29% tar berat Venturi scrubber 50-90% Venturi dan spray scrubber 83-99% material yang mudah terkondensasi Venturi + cyclonic 93-99 % senyawa organik yang mudah demister terkondensasi Vortex scrubber 66-78% residu penguapan Sumber: Neeft dkk, 1999

Selain itu, terdapat proses pemisahan berbasis scrubbing menggunakan media berbasis minyak[23]. Salah satu proses yang sudah terbukti dapat memisahkan tar secara efisien dan memenuhi spesifikasi FTS adalah teknologi OLGA (paten ECN). Skema proses OLGA diberikan pada Gambar II.9.

Gambar II.9. Skema Proses OLGA Sumber: Boerrigter (2004)

Unit OLGA terdiri atas scrubber yang berfungsi untuk memisahkan tar dari gas dan stripper yang berfungsi untuk meregenerasi cairan pencuci. Karakterisitik yang perlu diperhatikan adalah penggunaan cairan pencuci khusus dan rentang temperatur operasi. Temperatur masukan OLGA harus lebih tinggi dari titik

33 embun tar (umumnya di atas 300 oC) untuk menghindari pengerakan tar di sisi hulu sistem OLGA. Temperatur keluaran harus dijaga di atas titik embun air untuk menghindari pencampuran kondensat air dengan cairan pencuci yang mengandung tar.

Perbandingan

kinerja

teknologi

OLGA

dibandingkan

dengan

teknologi

pembersihan gas konvensional lainnya diberikan pada Gambar II.10.

Gambar II.10. Perbandingan Kinerja OLGA terhadap teknologi pembersihan gas lainnnya Sumber: Boerrigter (2004)

Berbagai jenis proses pembersihan gas lainnya yang sudah dikembangkan oleh peneliti-peneliti di dunia diberikan pada Tabel II.6.

Wet electrostatic precipitator juga dapat digunakan untuk memisahkan tar dari aliran gas produk. Pemisahan tar dilakukan menggunakan prinsip yang sama dengan pemisahan partikulat. Jenis teknologi pemisahan ini sangat efisien untuk memisahkan tar dan partikulat dari aliran gas dan dapat menyingkirkan hingga 99% material berdiameter < 0,1 m. Teknologi ini merupakan teknologi yang sudah matang dan tersedia secara komersial untuk berbagai jenis aplikasi.

Barrier filter sudah banyak digunakan untuk pemisahan tar dalam sistem gasifikasi biomassa. Tar ditangkap dengan cara melewatkan aerosol terkondensasi ke permukaan filter. Karena terdapat dalam bentuk cairan, tar menjadi lebih sulit

34

dipisahkan dari permukaan filter dibandingkan partikulat kering. Permasalahan pemisahan tar dari permukaan filter menjadi lebih kompleks apabila partikulat juga terdeposit karena filter cake yang dihasilkan tidak dapat langsung dipisahkan dari permukaan filter. Oleh karena itu barrier filter kurang cocok untuk digunakan sebagai teknologi pemisahan tar.

Cyclone filter dan berbagai unit pemisahan berbasis gaya sentrifugal lainnya juga dapat digunakan untuk memisahkan tar. Teknologi ini dapat dioperasikan menggunakan prinsip yang sama dengan pemisahan partikulat, menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan padatan dan aerosol dari aliran gas. Teknologi ini cocok untuk memisahkan material dengan ukuran yang lebih besar dari 5 m.

Pada praktiknya, siklon dan pemisahan berbasis gaya sentrifugal lainnya tidak digunakan untuk memisahkan tar dalam sistem gasifikasi biomassa. Kombinasi partikulat dan tar lengket di dalam aliran gas dapat membentuk endapan material di permukaan siklon sehingga sulit dihilangkan pada kondisi operasi normal.

11.5.3.2.

Teknologi

Pemisahan

Tar

melalui

proses

berkatalis

dan

bertemperatur tinggi. Proses berkatalis atau penghancuran menggunakan panas juga merupakan metode yang banyak digunakan untuk memisahkan tar dari produk gas. Dalam proses ini, tar mengalami dekomposisi secara thermal untuk membentuk tambahan gas produk dan arang. Penghancuran tar dapat dilakukan menggunakan energi panas pada temperatur sekitar 1200 oC atau menggunakan katalis pada temperatur yang lebih moderat (750-900 oC).

Penghancuran tar menggunakan proses berkatalis Proses ini menggunakan katalis untuk membantu mempercepat proses perengkahan dan penghancuran tar. Berbagai penelitian dan pengembangan telah dilaksanakan menggunakan berbagai katalis berbasis logam maupun non logam di dalam gasifier ataupun pada vessel di luar gasifier.

35

Penelitian katalis yang dapat digunakan untuk merengkahkan ataupun menghancurkan tar berpusat pada penggunaan dolomit yang harganya murah. Tar direngkahkan menjadi molekul yang lebih kecil di permukaan katalis. Konsep utama dari proses ini adalah penghancuran tar segera setelah tar terbentuk sehingga tidak menimbulkan permasalahan di sisi hilir. Aliran turbulen dan temperatur tinggi pada penggunaan gasifier fluidized bed menyebabkan katalis mengalami pengikisan dan deaktivasi. Di dalam gasifier fixed bed, kontak antara katalis dengan tar seringkali tidak maksimal sehingga penghancuran tar menjadi tidak sempurna.

Penghancuran tar menggunakan proses thermal Tar juga dapat direngkahkan secara termal tanpa katalis pada temperatur 1200 oC atau lebih. Kesulitan utama pelaksanaan perengakahan termal berada pada pengoperasian dan pertimbangan ekonomi, sehingga thermal cracking menjadi kurang menarik untuk digunakan.

11.5.4. Teknologi Pemisahan Senyawa Nitrogen Pemisahan senyawa amoniak dari aliran gas biomassa cukup penting terutama dalam segi lingkungan. Ketika gas dibakar, amoniak akan terkonversi menjadi NOx yang emisinya dibatasi. Terdapat 2 (dua) pendekatan pembersihan amoniak yaitu penghancuran amoniak menggunakan katalis dan teknologi wet scrubbing.

Penghancuran amoniak menggunakan katalis dapat dilakukan menggunakan katalis dolomit, katalis berbasis nikel, katalis berbasis besi (Leppälahti, dkk, 1994, 1991; Simmel, dkk, 1997). Penghancuran amoniak menggunakan katalis dolomit dan nikel efektif pada temperatur yang sama dengan temperatur operasi perengkahan tar. Sedangkan penggunaan katalis besi harus dilakukan pada temperatur yang lebih tinggi (sekitar 900 oC). Dengan katalis-katalis tersebut, penghancuran >99% amoniak masih dimungkinkan. Pendekatan ini cukup menarik karena berpotensi untuk menghilangkan amoniak dan tar dari gas produk dengan tetap menjaga panas gas produk.

36

Dalam sistem yang mendinginkan produk gas terlebih dahulu, amoniak juga dapat dihilangkan menggunakan wet scrubbing. Amoniak yang diperoleh dari scrubber kemudian dapat diinjeksikan kembali ke dalam gasifier untuk mengkompensasi pengurangan amoniak akibat kesetimbangan termal dan agar bereaksi dengan NOx yang terbentuk dalam proses gasifikasi.

11.5.5. Teknologi Pemisahan Senyawa Sulfur Sebagian besar sumber biomassa umumnya tidak terlalu banyak mengandung sulfur sehingga pemisahan senyawa sulfur tidak begitu penting untuk dilakukan. Namun untuk sumber biomassa seperti limbah yang banyak mengandung sulfur, proses pembakaran akan menyebabkan kandungan sulfur akan dikonversikan menjadi sulfur oksida (SOx). Wet scrubber tersedia secara komersial untuk memisahkan SOx dan sudah terbukti cukup handal. Untuk aplikasi gas sintesis, kandungan sulfur dibatasi hingga 0,1 mg/Nm3 (Graham dan Bain, 1993). Sistem fuel cell juga membutuhkan konsentrasi sulfur di bawah 1 ppm. Selain itu sulfur dapat meracuni katalis yang digunakan untuk sintesis kimia, misalnya pada katalis berbasis Cu yang digunakan dalam sintesis methanol.

Hasler dkk. (1999) dalam studinya telah mengidentifikasi tingkat pengurangan tar dan partikulat lainnya dalam penggunaan berbagai sistem pembersihan gas produser. Identifikasi tersebut disampaikan dalam Tabel II.12.

37

Tabel II.12. Tingkat pengurangan tar dan partikulat melalui penggunaan beberapa sistem perbersihan gas

Sumber: Hasler dkk. (1999)

II.5 Sintesis Fischer Tropsch Reaksi pertumbuhan rantai Fischer Tropsch dapat menghasilkan produk yang berada pada rentang: hidrokarbon ringan (C1 dan C2), LPG (C3-C4), nafta (C5C12), diesel (C13-C19), dan wax (C20+). Saat ini sintesis FT dioperasikan secara komersial oleh Sasol Afrika Selatan (berbasis batubara) dan Shell Malaysia (berbasis gas alam). Mekanisme utama dalam reaksi FT adalah sebagai berikut: CO + 2 H2  -CH2- + H2O,

H0FT = -165 kJ/mol

Komponen –CH2- merupakan komponen dasar rantai hidrokarbon yang lebih panjang, Karakteristik utama terkait dengan kinerja sintesis FT adalah selektivitas. Selektivitas proses FT ditentukan oleh probabilitas pertumbuhan rantai yang menyatakan kemungkinan pertumbuhan rantai –CH2- dengan grup –CH2- lainnya. Produk yang terbentuk dari reaksi FT merupakan hidrokarbon yang memiliki panjang yang berbeda. Selektivitas rantai panjang (SC5+) diperlukan untuk

38

mencapai jumlah maksimum hidrokarbon rantai panjang. Perolehan C1-C4 berkurang apabila SC5+ bertambah, C1-C4 yang terdapat di dalam gas buang dapat dimanfaatkan untuk pembangkitan listrik di dalam gas buang.

Hubungan antara perolehan hidrokarbon dengan probabilitas pertumbuhan rantai digambarkan melalui persamaan distribusi rantai karbon sebagai berikut: wn = nn-1(1-)2 Dengan:



(1) =

probabilitas pertumbuhan rantai, bergantung pada jenis katalis yang digunakan

n

=

jumlah atom C dalam rantai hidrokarbon

wn

=

fraksi massa hidrokarbon yang memiliki n buah atom C

Persamaan (1) menunjukkan fraksi massa rantai karbon yang dinyatakan oleh wn dan (1-) menunjukkan kemungkinan terminasi rantai –CH2-. Distribusi produk Fischer Tropsch berdasarkan persamaan (1) diberikan pada Gambar II.11.

Gambar II.11. Distribusi Produk sintesis Fischer Tropsch berdasarkan persamaan ASF

Untuk katalis besi, nilai  adalah 0,67 s.d. 0,71. Sedangkan untuk katalis Co, nilai  adalah 0,76 s.d. 0.83. Untuk katalis Co, tekanan yang lebih tinggi akan menghasilkan rantai yang lebih panjang. Saat ini berbagai penelitian tengah

39 dilakukan untuk mendapatkan katalis yang bisa memberikan nilai  = 0,9. Selain jenis katalis, faktor lain yang mempengaruhi distribusi produk FT adalah temperatur. Temperatur operasi yang lebih rendah akan menghasilkan rantai karbon yang lebih panjang, rantai tidak bercabang, dan senyawa oksigenates yang tebentuk lebih sedikit.

Selektivitas sangat dipengaruhi oleh faktor katalis (logam Co atau Fe, penyangga, penyiapan, pengondisian awal, dan umur katalis) dan faktor non katalis (rasio H2/CO di dalam umpan, temperatur, tekanan, dan jenis reaktor). Pengelompokkan berdasarkan katalis Fe dan Co relevan karena reaksi pergeseran air hanya terjadi secara signifikan apabila katalis yang digunakan adalah katalis besi. Sintesis FT menggunakan rasio H2/CO yang mendekati angka 2,1:1, bergantung pada selektivitas. Karena gasifikasi biomassa pada kebanyakan kasus menghasilkan gas sintesis yang memiliki rasio H2/CO rendah maka reaksi pergeseran perlu dilakukan. Tekanan parsial H2 dan CO yang lebih tinggi dapat menghasilkan selektivitas SC5+ yang lebih tinggi pula. Semakin banyak kandungan inert di dalam gas sintesis dapat mengurangi tekanan parsial H2 dan CO yang berakibat pada penurunan selektivitas SC5+. Dari segi kondisi operasi, reaktor FT dapat dibedakan menjadi 2 (dua) jenis yaitu HTFT (high temperature FT) dan LTFT (low temperature FT). Perbedaan kedua jenis reaktor tersebut disampaikan dalam Tabel II.13.

40

Tabel II.13. Kondisi Pengoperasian Reaktor Fischer Tropsch HTFT LTFT (High Temperature FT) (Low Temperature FT) Temperatur Katalis

300-350 oC Fe

200-240 oC Fe atau Co Parafin

Produk

Bensin dan olefin yang memiliki massa molekul rendah Oksigenat dalam jumlah besar

Selektivitas terhadap produk wax tinggi

Produksi Diesel

Produksi diesel dapat dilakukan melalui oligomerisasi olefin

Produksi diesel dilakukan menggunakan proses hydrocracking wax

Tekanan

20-45 bar

20-45 bar

Sumber: Development of Fischer Tropsch Catalyst for Gasified Biomass, Sara Logdberg

Terdapat 3 (tiga) jenis reaktor FT yaitu: fluidized bed reactor, fixed bed reactor, dan slurry reactor. Menurut beberapa peneliti, reaktor fixed bed dan slurry merupakan reaktor FT yang paling menjanjikan. Kelebihan masing-masing reaktor sangat spesifik terhadap jenis biomassa yang digunakan, namun dari segi sensitivitas terhadap inert (relevan untuk biomassa yang diharapkan menghasilkan karakteristik gas dengan yang diperoleh dari gas alam) reaktor slurry lebih menguntungkan. Kekurangan utama pada reaktor slurry adalah perlunya penambahan unit pemisahan wax dan katalis, namun tidak terdapat informasi lengkap mengenai unit pemisahan tersebut. Tabel II.14 menunjukkan perbedaan utama antara reaktor fixed bed dengan reaktor slurry.

41

Tabel II.14. Perbedaan antara proses sintesis FT dalam reaktor fixed bed dan slurry

Sumber: Hamelinck (2003)

42

II.7. Hydrocracking Apabila produk akhir yang diinginkan adalah diesel, diperlukan proses hydrocracking terhadap produk FT. Hidrogen ditambahkan untuk memutuskan ikatan rangkap, sehingga cairan-FT dapat direngkahkan secara katalitis dengan bantuan hidrogen. Bergantung pada kondisi perengkahan wax, produk yang dihasilkan akan memiliki komponen utama kerosin dan diesel. Efisiensi karbon keseluruhan dalam tahap hydrocracking mendekati 100 %.

Produk FT bebas dari sulfur, nitrogen, nikel, vanadium, senyawa aspal, dan aromatic yang umumnya terdapat di dalam produk minyak mineral. Diesel FT dengan bilangan setan yang tinggi dapat digunakan sebagai bahan campuran untuk meningkatkan kualitas diesel biasa. Nafta yang diperoleh dari proses FT memiliki bilangan oktan yang lebih rendah dibandingkan nafta biasa. Sedangkan kerosin untuk keperluan aviasi yang diperoleh melalui sintesis FT masih belum memenuhi spesifikasi produk yang diperlukan. Oleh karena itu, berdasarkan lebutuhan spesifikasi produk saat ini, produk sintesis FT masih memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan produk nafta dan kerosein komersil. Namun seperti halnya diesel FT, kedua jenis bahan bakar tersebut juga tidak mengandung sulfur maupun kontaminan lainnya. Sehingga selain dapat mengurangi emisi ke udara, bahan bakar yang dihasilkan dari sintesis FT juga diharapkan dapat digunakan dalam kendaraan berbasis fuel cell (FCV – Fuel Cell Vehicle) yang membutuhkan bahan bakar yang benar-benar bersih untuk mencegah kerusakan katalis fuel cell. Karakteristik tersebut sangat penting untuk jangka yang lebih panjang ketika FCV mulai beredar di pasaran. Pasar diesel dapat dikatakan merupakan pasar pertama yang paling cocok untuk sintesis FT.

Proses hydrocracking selektif dilakukan untuk merengkahkan wax (C20+) menjadi rantai diesel (C10-C19) sangat bergantung pada kondisi operasi seperti temperatur, tekanan, dan kecepatan ruang (weight hourly space velocity/WHSV). Pengaruh masing-masing kondisi operasi tersebut telah diteliti oleh Leckel dan Ehumbu (2006). Hasil penelitian mereka menunjukkan bahwa temperatur merupakan komponen yang paling berpengaruh terhadap konversi C20+, konversi akan

43

meningkat seiring dengan peningkatan temperatur. Selektivitas produk dan perolehan yang dihasilkan dari proses hydrocracking menggunakan hidrogen bertekanan 3,5 MPa dan rasio hidrogen/wax 1200:1 Nm3/m3 pada kecepatan ruang 0,5/jam diberikan pada Tabel II.15.

Tabel II.15. Selektivitas dan Perolehan Produk pada berbagai Temperatur menggunakan Hidrogen bertekanan 3,5 MPa, WHSV 0,1/jam, dan H2/wax = 1200:1 Nm3/m3

Temperatur Konversi (oC) C20+ 350 17 360 69 365 86

Selektivitas (%b/b) C1-C4 C5-C9 C10-C19 2,1 9,9 88 1,1 22 77 2,1 25 73

Perolehan (%b/b) C1-C4 C5-C9 C10-C19 0,3 1,6 15 0,8 15 53 1,8 21 63

Sumber: Leckel dan Ehumbu (2006)

Tabel II.15. menunjukkan bahwa peningkatan temperatur operasi dengan menjaga parameter lain konstan menghasilkan peningkatan konversi C20+ hingga 86%. Temperatur operasi yang tinggi dapat menghasilkan konversi yang tinggi serta perolehan diesel yang lebih tinggi pula.

II.6

Pembangkitan Listrik melalui Siklus Kombinasi

Hasil samping dari sistem BGFT adalah listrik yang dibangkitkan dari gas buang menggunakan sistem combine cycle. Pada tekanan tinggi, gas buang dicampurkan dengan udara bertekanan dan dibakar pada temperatur 1100-1300oC. Proses ekspansi gas panas tersebut dapat menghasilkan listrik. Sebagian listrik yang terbangkitkan digunakan untuk menjalankan kompresor udara.

Dalam kasus BGFT, nilai kalor gas buang masih terlalu rendah untuk langsung dibakar di dalam turbin gas. Umumnya nilai kalor minimum yang masih dapat digunakan dalam turbin gas komersial adalah 4-6 MJ/Nm3, dengan asumsi dilakukan modifikasi pada burner dan variasi umpan. Co-firing dengan gas alam dapat dilakukan untuk menghindari permasalahan tersebut dengan cara meningkatkan nilai kalor gas buang. Secara umum dapat diperoleh efisiensi termal yang lebih baik apabila dibandingkan dengan hanya menggunakan gas buang saja.

44

Dalam sistem BGFT juga terdapat aliran-aliran gas yang membutuhkan proses pendinginan seperti aliran gas keluaran turbin gas dan gas sintesis keluaran proses gasifikasi. Proses pendinginan tersebut dapat menghasilkan superheated steam yang dapat diekspansi di dalam turbin terkondensasi parsial untuk menghasilkan listrik. Kukus bertemperatur rendah juga dapat dimanfaatkan kembali seperti pada proses pengeringan dan proses-proses lainnya yang membutuhkan kukus seperti reaktor pergeseran.

Konsep trigeneration telah diteliti oleh Boerrigter dkk (2004). Penelitian tersebut difokuskan pada konsep pembersihan gas yang dapat membantu memaksimalkan produksi bahan bakar Fischer Tropsch (meningkatkan efisiensi konversi produk gas menjadi produk Fischer Tropsch). Terdapat 3 (tiga) rute proses yang diteliti dan dibandingkan satu sama lain. Ketiga proses tersebut disampaikan dalam Gambar II.12 s.d. II.14.

Gambar II.12. Konsep Trigeneration sistem BGFT Sumber: Boerrigter 2004

Gambar II.13. Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran Sumber: Boerrigter 2004

45

Gambar II.14. Neraca Energi Konsep Trigeneration sistem BGFT yang dilengkapi dengan unit reaksi pergeseran

Sumber: Boerrigter 2004

Gambar II.12. s.d. II.14. menunjukkan peningkatan konversi termal ke arah produk FT seiring dengan penambahan unit pembersihan dan pengkondisian gas sintesis. Apabila hanya dilihat dari perolehan produk FT saja, maka konfigurasi pada Gambar II.14. menghasilkan konversi termal ke arah produk FT yang paling tinggi. Namun perlu ditinjau juga dari segi ekonomi. Boerrigter dkk telah membandingkan kebutuhan investasi untuk ketiga jenis rute konfigurasi tersebut untuk tekanan operasi 1,3 bar dan 25 bar. Perbandingan kebutuhan investasi tersebut diberikan pada Gambar II.15.

450 400 350 300 250 200 150 100

50 0 1.3 bar, normal 1.3 bar, + TC 25 bar, normal 25 bar, +shift

25 bar, +TC, +shift

Pre Treatment M€

Gasification System M€

Gas Cleaning M€

Syngas Processing M€

FT Production M€

Power Generation M€

Gambar II.15. Perbandingan Kebutuhan Investasi untuk berbagai konfigurasi

46

BAB III PROSEDUR PELAKSANAAN PENELITIAN

III.1 Metodologi Penelitian Kegiatan penelitian Aplikasi Sintesis Fischer Tropsch dari gas hasil gasifikasi biomassa direncanakan akan dilakukan menggunakan metodologi yang diberikan pada Gambar III.1.

Gambar III.1. Metodologi Penelitian Aplikasi Sintesis FT dari gas hasil gasifikasi biomassa

Penelitian diawali dengan review berbagai teknologi dalam sistem BGFT, mencakup teknologi gasifikasi, pembersihan dan pengkondisian gas hasil gasifikasi, dan sintesis Fischer Tropsch. Hasil review tersebut digunakan untuk menentukan konfigurasi sistem BGFT. Selanjutnya dilakukan perhitungan neraca massa dan energi untuk konfigurasi sistem terpilih. Perhitungan neraca massa dan energi kemudian disesuaikan dengan lokasi dan ketersediaan umpan biomassa untuk menentukan kapasitas sistem BGFT. Kajian tekno ekonomi kemudian dilakukan untuk menentukan kelayakan teknik dan ekonomi pemasangan sistem BGFT. Apabila hasil kajian tekno ekonomi menunjukkan bahwa pemasangan sistem BGFT tidak layak maka ditentukan lokasi lain yang memiliki ketersediaan umpan biomassa lebih besar. Penelitian diakhiri dengan penentuan lokasi pemasangan sistem BGFT yang layak baik dari segi ekonomi maupun segi teknik.

47

III.1.1. Kajian Teknologi Proses Sistem BGFT Tahap pertama yang akan dilakukan adalah kajian terhadap berbagai teknologi proses gasifikasi, pembersihan gas, pemrosesan gas sintesis, sintesis Fischer Tropsch, dan siklus kombinasi. Berdasarkan uraian pada bab sebelumnya, pemrosesan biomassa menjadi cairan Fischer Tropsch dapat dipetakan seperti pada Gambar III.2.

Gambar III.2. Peta pemrosesan biomassa menjadi cairan Fischer Tropsch.

Berdasarkan review hasil pengumpulan data dan penelitian-penelitian yang terkait dengan gasifikasi biomassa dan sintesis Fischer Tropsch, dilakukan pemilihan proses sebagai berikut:

48

a.

Pemilihan umpan Biomassa Pemilihan umpan yang akan digunakan dalam simulasi dilakukan dengan mempertimbangkan ketersediaan produk dan data karakteristik biomassa. Berdasarkan uraian pada Tabel II.1 dan Tabel II.2, biomassa yang akan dikaji adalah tongkol jagung.

b.

Pemilihan Agen Gasifikasi Pemilihan agen gasifikasi terutama dilakukan dengan pertimbangan dari segi ekonomi. Berdasarkan uraian pada sub bab II.2.1, produksi oksigen murni kurang menarik dari segi ekonomi namun memberikan keuntungan pengurangan ukuran alat, energi kompresi, dan tekanan parsial produk yang lebih tinggi. Oleh karena itu akan digunakan udara sebagai agen gasifikasi.

c.

Pemilihan Sistem Penyediaan Panas Sistem penyediaan panas yang akan dikaji adalah sistem penyediaan panas autothermal. Pemilihan tersebut dilakukan dengan pertimbangan efisiensi energi sistem gasifikasi secara keseluruhan.

d.

Pemilihan Jenis Reaktor dan Kondisi Operasi Gasifikasi Reaktor gasifikasi yang akan digunakan dalam kajian adalah Circulated Fluidized Bed Reactor (CFB). Jenis reaktor ini dipilih karena data-data proses gasifikasi menggunakan reaktor CFB sudah banyak tersedia sebagai perbandingan dalam kajian tekno ekonomi.

e.

Pemilihan Proses Pembersihan Gas Sintesis Proses pembersihan gas sintesis yang akan digunakan dalam kajian ini adalah proses pembersihan basah dan proses pembersihan temperatur tinggi.

49

f.

Pemilihan Jenis Reaktor dan Katalis Fischer Tropsch Reaktor sintesis FT yang akan digunakan dalam perhitungan adalah slurry type reactor. Pemilihan reaktor ini dilakukan berdasarkan kelebihankelebihannya dibandingkan jenis reaktor lain sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel II.7. Katalis yang digunakan dalam reaksi FT adalah katalis Fe. Hal tersebut disebabkan produk gas hasil gasifikasi menggunakan udara memiliki rasio H2/CO ~ 0,75. Penggunaan katalis Fe dapat memicu reaksi Water Gas Shift (WGS) yang dapat meningkatkan rasio H2/CO agar mendekati 2,1 sehingga dapat meningkatkan konversi sintesis Fischer Tropsch.

III.1.2. Studi Ketersediaan Biomassa Setelah dilakukan kajian teknologi pemrosesan biomassa menjadi bahan bakar Fischer Tropsch, dilakukan studi ketersediaan biomassa. Langkah-langkah yang direncanakan dalam studi ketersediaan bahan baku biomassa diberikan dalam Gambar III.3.

Gambar III.3. Langkah-langkah studi ketersediaan biomassa

Berdasarkan Gambar III.3., studi ketersediaan biomassa dimulai dengan kompilasi dan analisis data ketersediaan biomassa nasional. Kemudian dilanjutkan dengan kompilasi dan analisis data ketersediaan biomassa per provinsi serta ketersediaan biomassa per Kabupaten/Kota. Data-data tersebut direncanakan akan dicari melalui survey data sekunder dengan sumber data Departemen Pertanian dan Perkebunan, BPS (Provinsi dalam Angka, Kabupaten/Kota dalam Angka), situs Provinsi, dan situs Kabupaten/Kota. Hasil studi ketersediaan biomassa tersebut kemudian dijadikan dasar penentuan rencana lokasi dan kapasitas sistem BGFT.

50

III.1.3. Penyusunan Rancangan Pabrik Sistem BGFT Berdasarkan hasil kajian teknologi akan dilakukan pemilihan konfigurasi rute proses yang paling cocok untuk memaksimalkan perolehan hidrokarbon rantai panjang dari sintesis FT. Rute proses yang dipilih meliputi 2 (dua) kategori sebagai berikut: 

Sintesis FT 1 (satu) aliran dengan membakar gas buang bersama-sama dengan gas alam melalui combine cycle gas turbine & steam turbine, dan



Sintesis FT 1 (satu) aliran tanpa diikuti dengan proses pembakaran gas buang.

Secara umum rute proses tersebut diilustrasikan di dalam Gambar III.4.

Gambar III.4. Rute Proses BGFT yang akan dikaji

Perhitungan neraca massa dan energi akan dilakukan untuk memperhitungkan komposisi gas hasil gasifikasi biomassa dan perolehan cairan Fischer Tropsch. Data-data hasil penelitian yang dilakukan oleh Tijmensen et al. akan digunakan sebagai perbandingan. Kemudian hasil perhitungan untuk kedua rute proses akan dibandingkan dari segi efisiensi termal.

Perhitungan neraca massa dan energi kemudian dikolaborasikan dengan hasil studi ketersediaan biomassa untuk menentukan kapasitas pabrik dan skala masingmasing unit operasi.

51

III.1.4. Kajian Ekonomi Proses BGFT Selanjutnya akan dilakukan kajian ekonomi terhadap rute proses yang lebih baik dari segi efisiensi termal. Kajian ekonomi akan dilakukan untuk menentukan biaya investasi yang dibutuhkan dan kelayakan ekonomi pembangunan sistem BGFT di lokasi terpilih. Tahapan pelaksanaan kajian ekonomi disampaikan dalam Gambar III.5.

Gambar III.5. Tahapan Kajian Ekonomi Proses BGFT

Berdasarkan Gambar III.5., tahapan pertama yang dilakukan dalam kajian ekonomi adalah pencarian data harga masing-masing unit berdasarkan literatur. Kemudian dengan menggunakan data harga dan hasil perhitungan skala masingmasing unit, dilakukan penentuan kebutuhan investasi dan biaya tahunan sistem BGFT. Berdasarkan biaya investasi dan biaya tahunan (biaya tetap, biaya variabel, serta biaya operasi dan pemeliharaan) akan diperkirakan harga keekonomian FT diesel. Selanjutnya dilakukan analisis sensitivitas dari hasil perhitungan tersebut terutama dalam kaitannya dengan fluktuasi biaya biomassa, biaya tetap, dan biaya variabel tahunan.

Setelah melakukan kajian ekonomi, akan dilakukan analisis mengenai kemungkinan implementasi sistem yang sama untuk lokasi-lokasi lainnya. Penelitian ini juga akan dilengkapi dengan identifikasi isu-isu pemicu serta penghambat pengembangan dan komersialisasi teknologi BGFT di Indonesia.

52

III.2. Jadwal Penelitian Penelitian direncanakan akan dibagi menjadi 8 (delapan) tahap kegiatan, yaitu: ~ Kajian berbagai teknologi proses dalam sistem BGFT, ~ Simulasi rute proses BGFT, ~ Penentuan skala proses BGFT, ~ Penentuan lokasi sistem BGFT dan kajian ekonomi, ~ Identifikasi Isu-isu pengembangan dan komersialisasi sistem BGFT, ~ Penulisan laporan, ~ Seminar, dan ~ Perbaikan Laporan.

Penelitian direncanakan akan dilaksanakan selama 12 minggu. Rencana jadwal pelaksanaan penelitian diberikan pada Tabel III.1.

Tabel III.1. Rencana Jadwal Penelitian No

Kegiatan 1 Kajian Terhadap Berbagai 1 Teknologi Proses dalam Sistem BGFT 2 Penentuan Konfigurasi Proses Studi Ketersediaan Bahan 3 Baku Biomassa Pemilihan Lokasi 4 Perencanaan Aplikasi Sistem BGFT Penyusunan Rancangan Pabrik Sistem BGFT 5 berdasarkan hasil studi ketersediaan Kajian ekonomi (analisis 6 sensitivitas) Pertimbangan kemungkinan penerapan sistem BGFT di 7 lokasi lain dengan kapasitas yang sama 8 Penyusunan Laporan 9 Seminar 10 Perbaikan Laporan

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

53

DAFTAR PUSTAKA [1]

BP, Statistical Review of World Energy 2009, www.bp.com, diakses tanggal 25 Agustus 2009;

[2]

Sekretariat Panitia Teknis Sumber Energi (PTE), Blueprint Energi Nasional 2005-2025, Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2007;

[3]

Peraturan Presiden Nomor. 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional;

[4]

Pusat Data dan Informasi Pertamian, Departemen Pertanian Republik Indonesia, http://deptan.go.id, diakses tanggal 5 Oktober 2009;

[5]

Laohalidanond K, Jurgen Heil, Christain Wirtgen, The Production of Synthetic Diesel from Biomass, KMITL Sci. Tech. J. Vol 6 No. 1, Jan-Jun 2008;

[6]

den Uil H, de Smidt RP, van Hardeveld RM, Calis HP, Faaij APC, Hamelinck CN, Tijmensen MJA, Co Production of liquid fuels and electricity from biomass using a BIG FT CC system: Technical and economic feasibility, ECN, 2001;

[7]

Hamelinck CN, Faaij APC, Larson E, Kreutz T, Future prospects for the production of methanol and hydrogen from biomass, Science, Technology and Society/Utrecht University, Uthrecht, Netherlands, 2001;

[8]

Logdberg, Sara, Development of Fischer-Tropsch Catalyst for Gasified Biomass, Licentiate Thesis in Chemical Engineering, KTH, Stockholm, Sweden, 2007;

[9]

Faaij A, Meuleman B, van Ree R, Long term perspectives of biomass integrated gasification with combined cycle technology, Netherland agency for energy and the environment Novem, Utrecht, 1998;

[10] van Ree R, Oudhuis A, Faaij A, Curvers A, Modelling of a biomass integrated gasifier/combined cycle (BIG/CC) system with the flowsheet simulation programme Aspen+, Netherland Energy Research Foundation ECN and Utrecht University/Science Technology and Society, Petten, 1995;

54

[11] Hamelinck CN, Faaij APC, den Uil H, Boerrigter H, Production of FT transportation fuels from biomass; technical options, process analysis and optimization, and development potential, Netherland Energy Research Foundation ECN and Utrecht University/Science Technology and Society, 2003; [12] Karellas S, Karl J, Kakaras E, An innovative biomass gasification process and its coupling with microturbine and fuel cell systems, Energy 33, 2008; [13] Wu Keng-Tung, Lee Hom-Ti, Bio-hydrogen , Energy 33, 2008; [14] Rapagna, S., Jand, N., Foscolo, P.U., Catalytic gasification of biomass to produce hydrogen rich gas, Int. J. Hydrogen Energy, 1998; [15] Zuberbuhler, Ulrich, Michael Specht, Andreas Bandi, Gasification of Biomass – An Overview on Available Technologies, Centre for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW), Germany, 2006; [16] Shen, Laihong., Yang Gao, Jun Xiao, Simulation of hydrogen production from biomass gasification in interconnected fluidized beds, Biomass and Bioenergy 32, 2008; [17] van der Drift A., Boerrigter H., Coda B., Cieplik M.K., Hemmes K., Entrained flow Gasification of Biomass: Ash behavior, feeding issues, and system analyses, ECN and Shell Global Solutions, 2004; [18] Tijmensen M.J.A., Andre P.C. Faaij, Carlo N. Hamelinck, Martijn R.M. van Hardeveld, Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification, Biomass and Bioenergy 23 (129-152), 2002; [19] Milne, T.A., R.J. Evans, Biomass Gasifier “Tars”: Their Nature, Formation, and Conversion, National Renewable Energy Laboratoty, 1998; [20] Ciferno, Jared P., John J. Marano, Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and Hydrogen Production, US Department Of Energy and National Energy Technology Laboratory, 2002; [21] Jansen J.P., Berends R.H., Large-scale production of biofuels through biomass

(co-)gasification

and

Fischer

Tropsch

synthesis,

Environment, Energy and Process Inovation – Report, 2002;

TNO

55

LAMPIRAN A.1 Produksi Kelapa Sawit (ton)

56

LAMPIRAN A.2 Luas Lahan Kelapa Sawit (ha)

57

LAMPIRAN A.3 Produksi Jagung (ton)

58

LAMPIRAN A.4 Luas Lahan Jagung (ha)

59

LAMPIRAN A.5 Produksi Padi (ton)

60

LAMPIRAN A.6 Luas Lahan Padi (ha)

61

LAMPIRAN B. Model Kesetimbangan Reaksi Gasifikasi B.1. Asumsi-Asumsi Asumsi-asumsi: ~ Biomassa direpresentasikan dengan formula umum CHxOy ~ Produk gasifikasi terdiri atas CO2, CO, H2, CH4, N2, H2O, dan sisa karbon yang tak terbakar ~ Reaksi berada pada kesetimbangan termodinamika ~ Reaksi dijalankan pada kondisi adiabatik

Berdasarkan asumsi-asumsi di atas, reaksi umum gasifikasi biomassa dengan udara dan kukus dapat dituliskan sebagai berikut: CHxOy + z(pO2 + (1-p)N2) + kH2O  aCO2 + bCO + cH2 + dCH4 + eN2 + fH2O + gC

(B-1)

x menunjukkan rasio molar H/C sedangkan y menunjukkan rasio molar O/C. Kandungan air dalam biomassa diabaikan dan kualitas produk bergantung pada x dan y.

Reaksi B-1 di atas menunjukkan reaksi overall, namun dalam proses gasifikasi terdapat beberapa reaksi intermediet yang terjadi. Reaksi-reaksi tersebut antara lain: 1. Oksidasi: C + O2  CO2

(B-2)

2. Gasifikasi kukus: C + H2O  CO + H2

(B-3)

3. Reaksi Bouduard: C + CO2  2CO

(B-4)

4. Reaksi Metanasi: C + 2H2  CH4

(B-5)

5. Reaksi Pergeseran Air: CO + H2O  CO2 + H2

(B-6)

Empat reaksi pertama merupakan reaksi independen. Sedangkan reaksi terakhir yaitu reaksi pergeseran air merupakan penjumlahan reaksi gasifikasi kukus dan reaksi bouduard. Reaksi oksidasi umumnya diasumsikan berjalan sangat cepat dan

62

sempurna (Von Fredersdorff dan Elliott, 1963) sedangkan reaksi bouduard, gasifikasi kukus, dan metanasi berada pada kesetimbangan.

B.2. Model Persamaan Dengan menggunakan neraca atom karbon, oksigen, hidrogen, dan nitrogen, dapat diperoleh persamaan-persamaan berikut: C: 1 = a + b + d + g

(B-7)

O: y + 2pz + k = 2a + b + f

(B-8)

H: x + 2k = 2c + 4d + 2f

(B-9)

N: z(1-p) = e

(B-10)

Hubungan kesetimbangan untuk 3 (tiga) reaksi selain reaksi oksidasi adalah sebagai berikut:

1) Reaksi Bouduard 𝐾𝑒1 =

2 𝑦 𝐶𝑂 𝑃𝑡

𝑦 𝐶𝑂 2

(B-11)

2) Reaksi Gasifikasi Kukus 𝐾𝑒2 =

𝑦 𝐶𝑂 𝑦 𝐻2 𝑃𝑡 𝑦 𝐻2𝑂

(B-12)

3) Reaksi Metanasi 𝑦

4 𝐾𝑒3 = 𝑦 2𝐶𝐻𝑃𝑡 𝐻2

(B-13)

Konstanta kesetimbangan dinyatakan sebagai berikut: 𝑙𝑛𝐾𝑒 = −

∆𝐺 0 𝑅𝑇

(B-14)

dengan G0 menyatakan energi bebas Gibbs (kJ/mol), T menyatakan temperatur (K) dan R menyatakan konstanta gas universal.

Neraca energi dinyatakan sebagai berikut: Panas reaksi overall untuk reaksi B-1 dinyatakan dengan:

63

∆𝐻𝑅 𝑇 = ∆𝐻𝑅 𝑇𝑅 +

𝑇 𝑛 𝑖=1 𝑛𝑖 𝑇𝑅

𝐶𝑝𝑖 𝑑𝑇

(B-15)

Pada kondisi adiabatik, panas reaksi yang dihasilkan adalah 0. Panas reaksi pada temperatur referensi dihitung menggunakan panas pembakaran masing-masing spesi: ∆𝐻𝑅 𝑇𝑅 = ∆𝐻𝑐𝐶 − ∆𝐻𝑐𝐶𝑂 − ∆𝐻𝑐𝐻2 − ∆𝐻𝑐𝐶𝐻4 0 = ∆𝐻𝑅 𝑇𝑅 +

𝑇 𝑛 𝑖=1 𝑛𝑖 𝑇𝑅

𝐶𝑝𝑖 𝑑𝑇

(B-16) (B-17)

∆𝐻𝑅 menunjukkan panas reaksi, sedangan ∆𝐻𝑐𝑖 menunjukkan panas pembakaran spesi „i‟, 𝑛𝑖 menunjukkan jumlah mol spesi „i‟, 𝐶𝑝𝑖 menunjukkan kapasitas panas spesi „i‟.

Kedelapan persamaan aljabar non linear di atas (B-7 s.d. B-13 dan B-17) dapat diselesaikan secara simultan untuk memperoleh nilai a, b, c, d, e, f, g (yang menunjukkan komposisi gas produk) dan temperatur adiabatik, pada berbagai nilai tekanan yang berbeda. Berbagai paket program seperti MATLAB dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut. Nilai GCV (Gross Calorific Value) dapat dihitung menggunakan formula berikut ini: 𝐺𝐶𝑉 = (𝑏 ∆𝐻𝑐𝐶𝑂 + 𝑐 ∆𝐻𝑐𝐻2 + 𝑐 ∆𝐻𝑐𝐶𝐻4 )/(𝑎 + 𝑏 + 𝑐 + 𝑑 + 𝑒)

(B-18)

64

LAMPIRAN C.1 Perhitungan Rasio Konsumsi Reaktan FT Rasio konsumsi reaktan menunjukkan rasio konsumsi CO dan H2 yang sangat bergantung pada selektivitas. CO + 3H2  CH4 + H2O

(C-1)

2CO + 5H2  C2H6 + 2H2O

(C-2)

3CO + 7H2  C3H8 + 3H2O

(C-3)

4CO + 9H2  C4H10 + 4H2O

(C-4)

5CO + 11H2  C5H12 + 5H2O

(C-5)

dst.

Rantai pendek relatif memerlukan hidrogen lebih banyak (sehingga rasio H2:CO mendekati 3) dibandingkan dengan rantai panjang (rasio H2:CO mendekati 2). Rasio antara konsumsi reaktan diekspresikan sebagai berikut: −𝑅𝐻2 −𝑅𝐶𝑂

3 1−𝛼 +5𝛼 1−𝛼 +7𝛼 2 1−𝛼 +9𝛼 3 1−𝛼 +⋯

=1

(C-6)

1−𝛼 +2𝛼 1−𝛼 +3𝛼 2 1−𝛼 +4𝛼 3 1−𝛼 +⋯

atau: −𝑅𝐻2 −𝑅𝐶𝑂

−𝑅𝐻2 −𝑅𝐶𝑂

∞ 0

∞ (2𝑛 +1)𝛼 𝑛 −1 1 ∞ 𝑛𝛼 𝑛 −1 1

3+5𝛼+7𝛼 2 +9𝛼 3 +⋯

= 1+2𝛼+3𝛼 2 +4𝛼 3 +⋯ =

=

∞ 1

𝑛 −1 2𝑛𝛼 𝑛 −1 + ∞ 1 𝛼 ∞ 1

𝑛 𝛼 𝑛 −1

=2+

∞ 𝛼 𝑛 −1 1 ∞ 𝑛𝛼 𝑛 −1 1

(C-7)

=2+

∞ 𝛼𝑛 0 ∞ (𝑛+1)𝛼 𝑛 0

1

𝛼 𝑛 = 1−𝛼

∞ 0 (𝑛

(C-9)

+ 1)𝛼 𝑛 =

∞ 0

𝑛𝛼 𝑛 +

∞ 0

𝛼𝑛

(C-10)

∞ 𝑛 0 𝑛𝛼

= 0 + 𝛼 + 2𝛼 2 + 3𝛼 3 + 4𝛼 4 + ⋯ = 𝛼(1 + 2𝛼 + 3𝛼 2 + 4𝛼 3 + ⋯ )

∞ 𝑛 0 𝑛𝛼

= 𝛼 1 + 𝛼 + 𝛼2 + ⋯ 1 + 𝛼 + 𝛼2 + ⋯ = 𝛼

∞ 0 (𝑛

(C-8)

+ 1)𝛼 𝑛 = 𝛼

1 1−𝛼

2

1

𝛼

1−𝛼

∞ 𝑛 2 0 𝛼

1

+ 1−𝛼 = (1−𝛼)2 + (1−𝛼)2 = (1−𝛼)2

(C-11) (C-12)

(C-13)

Sehingga: −𝑅𝐻2 −𝑅𝐶𝑂

= 2+

1 1−𝛼 1 1−𝛼 2

=3−𝛼

(C-14)

65

LAMPIRAN C.2 Hubungan Antara  dengan selektivitas C5+ Pertama dalam bentuk fraksi molar: 𝛼𝐶𝑛 = 𝛼 𝑛−1 (1 − 𝛼)

(C-15)

𝛼𝐶5+ = 1 − 𝛼𝐶1 − 𝛼𝐶2 − 𝛼𝐶3 − 𝛼𝐶4

(C-16)

𝛼𝐶5+ = 1 − 𝛼 0 1 − 𝛼 − 𝛼 1 1 − 𝛼 − 𝛼 2 1 − 𝛼 − 𝛼 3 (1 − 𝛼)

(C-17)

𝛼𝐶5+ = 1 − 1 + 𝛼 − 𝛼 + 𝛼 2 − 𝛼 2 + 𝛼 3 − 𝛼 3 + 𝛼 4 = 𝛼 4

(C-18)

Sehingga dapat dideduksi bahwa selektivitas untuk seluruh rantai yang lebih panjang dari sebuah atom C dapat dinyatakan sebagai berikut: 𝛼𝐶𝑎+ = 𝛼 𝑎−1

(C-19)

Selektivitas C5+ seringkali dinyatakan dalam bentuk fraksi massa SC5+. Fraksi molar f dinyatakan sebagai fraksi massa Sf. 𝑀𝑓 .𝑓

𝑆𝑓 = 𝑀

(C-20)

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

dengan 𝑀𝑓 = rata-rata massa molar untuk fraksi f 𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = rata-rata massa molar untuk seluruh campuran Dengan menggunakan rata-rata massa molekul untuk Ca+, sebagaimana diturunkan dalam Lampiran C.4.

𝑆𝐶𝑎+ =

𝑆𝐶𝑎+ =

𝑆𝐶5+ =

𝑀𝐶𝑎 + .𝛼 𝐶𝑎 +

(C-21)

𝑀𝐶1+

14 .𝛼 + 14 𝑎 +2 .(1−𝛼 ) 𝑎 −1 𝛼 (1−𝛼 ) 14 .𝛼 +16 −16 .𝛼 (1−𝛼 )

14.𝛼+72 1−𝛼 .𝛼 4 16−2.𝛼

=

=

14.𝛼+ 14𝑎+2 . 1−𝛼 .𝛼 𝑎 −1

72−58.𝛼 16−2.𝛼

16−2.𝛼

𝛼4 =

36−29𝛼 8−𝛼

𝛼4

(C-22)

(C-23)

66 Sangat sulit untuk mengekspresikan 𝛼 dalam fungsi 𝑆𝐶5+. Namun persamaan C23 dapat didekati dengan persamaan C-24 (Louw 2002). Fitting kedua persamaan tersebut dapat dilihat dalam Gambar C-1.

Gambar C-1. SC5+ sebagai fungsi 𝜶 (kiri) dan sebaliknya (kanan). Bulatan menunjukkan nilai dari persamaan C-23 sedangkan tanda tambah menunjukkan nilai dari persamaan C24 dan C-25.

Pendekatan nilai  dapat diekspresikan sebagai berikut: 𝛼 = 0.75 − 0.373. −log⁡ (𝑆𝐶5+) + 0.25. 𝑆𝐶5+

(C-25)

Dengan cara yang sama, selektivitas untuk fraksi lain dapat dihitung sebagai berikut: 𝑆𝐶𝑎+ =

𝑀𝐶𝑎 𝛼 𝐶𝑎 𝑀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

=

14𝑎 +2 .(𝛼 𝑎 −1 . 1−𝛼 ) 16 −2𝛼 1−𝛼

=

7𝑎+1 .(𝛼 𝑎 −1 −2𝛼+𝛼 𝑎 +1 ) 8−𝛼

(C-26)

67

LAMPIRAN C.3 Defisiensi Hidrogen dalam Hydrocracking Seluruh rantai C20+ akan direngkahkan menjadi rantai C10 dan maksimal C19. C20H42 + H2  2C10H22

(C-27)

C25H52 + H2  C10H22 + C15H32

(C-28)

C48H98 + 3H2  3C10H22 + C18H38

(C-29)

Jumlah atom hidrogen yang diperlukan di dalam proses perengkahan untuk memotong rantai panjang menjadi rantai yang lebih pendek disebut defisiensi hidrogen. Rantai C20-29 memiliki defisiensi (kekurangan) 1 H2. Rantai C30-39 memiliki kekurangan 2 H2, dst. Menggunakan persamaan C-19: 𝛼𝐶10−19 = 𝛼 9 − 𝛼 19

(C-30)

Sehingga rata-rata defisiensi hidrogen dapat dinyatakan sebagai berikut: 𝐷𝐻2 = 𝐷𝐻2 =

∞ 0

𝑛 .(𝛼 10 𝑛 +9 −𝛼 10 𝑛 +19 ) 𝛼9

10 𝑛 (𝛼 9 −𝛼 19 ) ∞ 0 𝑛.𝛼

𝐷𝐻2 = 1 − 𝑠

𝛼9 ∞ 0

=

∞ 0

19 10𝑛 𝑛.𝛼 9 .𝛼 10 𝑛 − ∞ 0 𝑛.𝛼 .𝛼

𝛼9

= (1 − 𝛼 10 )

𝑛. 𝑠 𝑛 =

1−𝑠 .𝑠 (1−𝑠)2

∞ 0

𝑛. 𝛼 10𝑛

𝛼 10 −𝛼 20

= (1−𝛼 10 )2

DH2 menyatakan rata-rata defisiensi per rantai.

(C-31) (C-32) (C-33)

68

LAMPIRAN C.4 Rata-rata Massa Molekuler Untuk semua rantai yang memiliki a buah atom C atau lebih, rata-rata massa molekul rantai tersebut dapat dihitung sebagai berikut: 𝑀𝐶𝑎+ = 𝑀𝐶𝑎+ = 𝑀𝐶𝑎+ =

∞ 𝑎

14𝑛+2 . 1−𝛼 .𝛼 𝑛 −1 𝛼 𝑎 −1

=

𝑛 −1 +2𝛼 𝑛 (1−𝛼) ∞ 𝑎 14𝑛.𝛼

(C-36)

𝛼 𝑎 −1

𝑛 +𝑎 −1 +2𝛼 𝑛 +𝑎 −1 ) (1−𝛼) ∞ 0 14(𝑛+𝑎 .𝛼

(C-37)

𝛼 𝑎 −1 𝑛 𝑛 𝑛 (1−𝛼)𝛼 𝑎 −1 ∞ 0 (14𝑛 .𝛼 +14𝑎.𝛼 +2.𝛼 )

(C-38)

𝛼 𝑎 −1 𝛼

1

𝑀𝐶𝑎+ = 1 − 𝛼 . 14 (1−𝛼)2 + 14𝑎 + 2 . 1−𝛼 =

14.𝛼+ 14𝑎+2 .(1−𝛼) (1−𝛼)

(C-39)