Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Steam dan Batu Bara Dengan Kapasitas 50.000 Ton/Tahun
BAB I PENGANTAR
A. Latar Belakang Saat ini hidrogen diproyeksikan sebagai unsur penting untuk memenuhi kebutuhan clean energy di masa depan. Salah satunya adalah fuel cell. Sebagai bahan bakar, jika hidrogen direaksikan dengan oksigen akan menghasilkan H2O. Di Indonesia, pemanfaatan hidrogen sebagai bahan bakar harus dikembangkan untuk memenuhi target pemerintah sebesar 0,21% dalam bauran energi nasional atau setara dengan enam juta setara barel minyak (SBM) Kelebihan hidrogen sebagai energi pembawa adalah dapat dihasilkan dari berbagai macam sumber, salah satunya adalah batu bara. Sebagai negara penghasil batu bara yang besar di dunia, Indonesia memiliki sumber daya batu bara sebanyak 50 milyar ton dan cadangan batu bara sebanyak 12 milyar ton. Namun pemanfaatannya belum efisien, karena selama ini batu bara hanya diekspor dalam keadaan mentah dan digunakan sebagai sumber bahan bakar yang hanya diambil panasnya untuk keperluan industri dan menyisakan banyak emisi CO2 ke udara. Di Indonesia, hidrogen dihasilkan dari bahan baku berupa gas alam yang cadangannya semakin menipis. Oleh sebab itu, Indonesia harus beralih ke bahan baku lain yang memiliki banyak cadangan dan belum termanfaatkan dengan baik seperti batu bara. Batu bara tersebut akan dibuat menjadi hidrogen yang memiliki energi yang lebih besar serta emisi yang jauh lebih bersih.
Febri P. Raharningrum Rr. Anisa Anggi Dinda
(10/297839/TK/36398) (10/302003/TK/37244)
1
Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Steam dan Batu Bara Dengan Kapasitas 50.000 Ton/Tahun
B. Tinjauan Pustaka Hidrogen merupakan senyawa yang tidak berwarna, tidak berbau, memiliki sifat non logam, serta merupakan gas diatomik yang mudah terbakar. Dengan berat atom sebesar 1,00794 gram/mol, hidrogen merupakan unsur teringan di dunia. Cakupan pemanfaatan hidrogen sangatlah luas, antara lain : sebagai bahan baku pembuatan ammonia, plastik, polyester, dan nylon; dipakai untuk proses desulfurisasi minyak bakar dan bensin; dan pada industri makanan digunakan dalam proses hidrogenasi amines dan fatty acids. Pada dasarnya ada 4 cara pembuatan hidrogen secara komersil, yaitu catalytic steam reforming, oksidasi parsial, gasifikasi batu bara, dan elektrolisis air. Dibawah ini akan dijelaskan uraian singkat proses, kelebihan, dan kekurangan masing-masing cara.
Proses dipilih berdasarkan ketersediaan bahan baku, capital cost, operating cost, dan efek ke lingkungan. Bahan baku pembuatan hidrogen berasal dari natural gas, hidrokarbon ringan, hidrokarbon berat, dan hidrokarbon padat. Semakin berat fasenya, maka semakin sulit proses dan semakin mahal capital cost
1. Catalytic Steam Reforming/Steam Methane Reforming Pada proses ini, umpan yang berupa hidrokarbon bereaksi dengan steam menggunakan katalis menjadi gas sintesis (H2, CO, CO2). Proses ini biasanya dijalankan pada suhu 650-1000o C, pada tekanan 100-700 psig. Secara umum, tahapan proses pada catalytic steam reforming adalah reaksi reforming, CO shift reaction, dan pemurnian hasil. Reaksi-reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Reforming CH4 + H2O CO + 3H2
Febri P. Raharningrum Rr. Anisa Anggi Dinda
ΔHr = 206 kJ/gmol
(10/297839/TK/36398) (10/302003/TK/37244)
(1)
2
Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Steam dan Batu Bara Dengan Kapasitas 50.000 Ton/Tahun
Shift CO + H2O CO2 + H2
ΔHr = −41 kJ/g mol
(2)
Overall CH4 + 2H2O CO2 + 4 H2
(3)
Hidrokarbon yang bisa dipakai sebagai umpan terdiri dari light hydrocarbons dan liquid hydrocarbons. Light hydrocarbons meliputi C2C4, seperti yang terkandung pada gas alam. Bahan baku gas alam paling banyak dipakai pada proses pembuatan hidrogen karena tidak banyak menghasilkan emisi berupa CO2 dan konversi yang dihasilkan cukup tinggi. Akan tetapi, gas alam mengandung sulfur sehingga perlu desulfurisasi untuk menghilangkan sulfur. Liquid hydrocarbons meliputi naphta, bensin, diesel, atau jet fuel. Jenis hidrokarbon ini terdiri dari rantai karbon yang panjang dan mengandung olefin, aromatik, zat aditif serta sulfur sehingga butuh proses pemurnian awal yang cukup kompleks. Proses reforming juga menghasilkan hasil samping berupa gas karbon dioksida (CO2), karbon monoksida (CO), dan syn-gas (CO+H2) yang cukup bernilai untuk beberapa plant sebagai bahan baku.
2. Gasifikasi Batu Bara Proses gasifikasi batu bara hampir sama seperti oksidasi parsial. Bahan bakunya berupa batu bara. Batu bara diproses dengan tekanan dan suhu yang tinggi. Pada suhu tinggi, pembentukan metana dapat terminimalisir dan tidak ada tar atau minyak yang terbentuk. Sedangkan tekanan tinggi dapat menghemat energi. Jika proses ini dilakukan pada tekanan rendah makan akan menghasilkan proses yang lebih kompleks. Proses ini memiliki banyak unit proses seperti coal preparation, water-treatment, cooling water system, serta solid waste disposal. Selain Febri P. Raharningrum Rr. Anisa Anggi Dinda
(10/297839/TK/36398) (10/302003/TK/37244)
3
Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Steam dan Batu Bara Dengan Kapasitas 50.000 Ton/Tahun
itu, unit gasifikasi memerlukan tempat yang luas karena ukurannya yang sangat besar. Reaksi-reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Reaksi dengan oksigen : 2C (s) + O2 (g) 2 CO (g)
ΔHr = -221.21 kJ/mol
(4)
C (s) + O2 (g) CO2 (g)
ΔHr= -393.98 kJ/mol
(5)
2CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g)
ΔH = -566.65 kJ/mol
(6)
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g)
ΔHr= -484.23 kJ/mol
(7)
2CH4 (g) + O2 (g) 2CO (g) + 4 H2 (g)
ΔHr=71.44 kJ/mol
(8)
C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g)
ΔHr= +131.46 kJ/mol
(9)
C (S) + CO2 (g) 2CO (g)
ΔHr=+ 172.67 kJ/mol
(10)
C (s) + 2H2 (g) CH4 (g)
ΔHr= -74.94 kJ/mol
(11)
Reaksi dengan steam :
Proses gasifikasi dapat dilakukan dengan beberapa proses yang dibedakan berdasarkan tipe reaktor yang digunakan. Tipe reaktor tersebut dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu moving-bed gasifiers, fluidbed gasifiers, dan entrained-flow gasifiers. Setiap tipe mempunyai karakteristik tertentu yang membedakan satu dengan lainnya.
3. Elektrolisis Air
Febri P. Raharningrum Rr. Anisa Anggi Dinda
(10/297839/TK/36398) (10/302003/TK/37244)
4
Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Steam dan Batu Bara Dengan Kapasitas 50.000 Ton/Tahun
Elektrolisis menggunakan tenaga listrik untuk memisahakan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen. Proses ini sangat bersih dan hidrogen yang dihasilkan cukup murni. Listrik yang digunakan berasal dari energi yang terbarukan seperti solar cell atau tenaga angin. Saat listrik searah mengalir melewati 2 elektroda yang ditempatkan di dalam air, reaksi yang terjadi adalah : Cathode : 2 H2O + 2 e- H2 + 2OH-
(12)
Anode : 2 OH- 1/2 O2 + H2O + 2e-
(13)
Berdasarkan uraian dari proses-proses di atas, maka pada prarancangan pabrik hidrogen ini dipilih proses gasifikasi batu bara menggunakan reaktor fluidized bed. Pertimbangan pemilihan ini yaitu : 1. Biaya batu bara sebagai salah satu bahan baku sangat murah 2. Pretreatment batu bara tidak serumit gas alam atau minyak diesel 3. Memanfaatkan panas batu bara secara lebih efisien dengan tidak hanya dibakar 4. Kondisi operasi reaktor fluidized bed menggunakan suhu dan tekanan yang tidak terlalu tinggi 5. Umpan batubara yang dibutuhkan tidak perlu memakai batubara high rank, cukup medium rank atau low rank yang banyak terdapat di Indonesia, yaitu sub bituminous coal.
Febri P. Raharningrum Rr. Anisa Anggi Dinda
(10/297839/TK/36398) (10/302003/TK/37244)
5
