JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Optimisasi Jaringan Carbon Capture and Storage System dengan Menggunakan Metode PINCH Anindya Dwi Rachmawati, Daril Ridho Zuchrillah, Renanto, Juwari Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak—Carbon capture and storage merupakan sebuah sistem untuk mengurangi emisi karbon dioksida (CO2) dari pembakaran bahan bakar fosil pada pembangkit listrik dan proses industri. Hal ini melibatkan pengangkapan CO2 untuk penyimpanan berikutnya dalam berbagai formasi geologi. Pemilihan dan pencocokan pembangkit listrik dan lokasi storage seringkali merupakan masalah optimasi karena berbagai kendala, yaitu waktu ketersediaan, laju alir injeksi dan batas kepasitas storage yang tersedia. Dalam penelitian ini, alat penargetan grafis baru berdasarkan analisis pinch diusulkan untuk mengatasi masalah perencanaan penyimpanan CO2 yang ditangkap dari power plant ke sink yang sesuai. Pertimbangan utama untuk masalah tersebut adalah waktu ketersediaan yang terakhir, karena sink perlu dikembangkan sebelum terjadi operasi penyimpanan CO2 ke dalam storage. Keterbatasan waktu ditangani oleh teknis grafis dimana waktu diambil sebagai elemen yang mengatur dalam memecahkan masalah. Studi kasus telah disiapkan dengan 5 source dan 3 sink yang juga tersedia biaya transportasi pengiriman CO2. Pengoptimalan dilakukan dengan dasar multi periode dengan analisa pinch menggunakan kurva komposit, cascade dan analisa total annualized cost. Sedangkan untuk pengoptimalan dengan dasar multi region dilakukan dengan program linier. Didapatkan dari kurva komposit tersebut terbagi oleh CO2 yang ditangkap oleh sink, CO2 dari source yang membutuhkan storage alternatif dan storage yang telah tersedia namun tidak digunakan dalam sistem ini. Kata Kunci — Carbon Capture and Storage, Source, Sink, Cascade
I. PENDAHULUAN
P
emanasan global merupakan isu yang sedang hangat dibicarakan di dunia internasional belakangan ini. Pemanasan global ditandai dengan naiknya suhu udara ratarata global pada permukaan bumi. Studi menunjukkan bahwa suhu udara rata-rata global telah meningkat sekitar 0,5 – 1,0o F (0,3 – 0,6o C) selama satu abad terakhir. Ini merupakan kenaikan suhu permukaan terbesar dalam 1.000 tahun terakhir dan para ilmuwan memprediksi peningkatan lebih besar akan terjadi lebih dari satu abad ini. Pemanasan ini sebagian besar disebabakan oleh peningkatan gas rumah kaca terutama karbon dioksida (CO2) dan metana di atas atmosfer bumi yang disebabkan oleh pembakaran bahan bakar fosil, kegiatan industri, pertanian dan penggundulan hutan. Carbon Capture and Storage (CCS) merupakan salah satu upaya dengan pendekatan teknik untuk menangkap karbon dan menyimpannya dalam bentuk yang lebih aman. Menurut Kementerian ESDM, CCS merupakan salah satu teknologi mitigasi perubahan iklim yang berpotensi mengurangi emisi
CO2 skala besar hasil dari pembakaran bahan bakar fosil. Teknologi ini merupakan rangkaian kegiatan yang dimulai dari menangkap CO2 (capture) dari sumber-sumber CO2 seperti fasilitas pengolahan gas alam dan pembangkit listrik, kemudian mentransportasikannya ke lokasi penyimpanan CO2 di geological sink yang sesuai (storage).
Gambar 1 Proses dan Sistem CCS[1]
Teknologi pinch dibangun atas dasar hukum-hukum termodinamika perpindahan panas. Teknologi ini didominasi oleh metode perancangan jaringan penukar panas (Heat Exchanger Network atau HEN) yang memberikan penghematan biaya energi optimum. Kemudahan dan unjuk kerjanya yang baik membuat teknologi ini banyak digunakan sebagai metoda standar dalam melakukan perancangan dan analisa sistem proses. Salah satu dari beberapa keuntungan dari Teknologi Pinch dibandingkan dari metode desain konvensional adalah kemampuan untuk mengatur energi dan target biaya untuk proses individual. Oleh karena itu untuk membantu mengidentifikasi semua proyek untuk penghematan energi dan kebutuhan investasi[2]. Terlepas dari pendekatan grafis, teknik aljabar juga dikembangkan dalam mengatasi masalah penyimpanan Carbon Storage. Carbon Storage Cascade Analysis (CSCA). Kerangka umum untuk CSCA ditampilkan dalam Gambar II.2. Studi kasus tersebut diperbaiki dan diselesaikan dengan menggunakan CSCA untuk menentukan kebutuhan penyimpanan minimum untuk beban CO2 yang tertangkap. Demikian pula, pendekatan juga menentukan jumlah kapasitas CO2 storage yang berlebih. CO2 flowrate net surplus / deficit cascade ke bawah dengan interval waktu untuk menghasilkan kapasitas kumulatif dari
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) surplus / deficit (FC, k) pada kolom ke-6. Nilai defisit terbesar dalam hal ini merupakan kapasitas penyimpanan minimum yang diperlukan untuk solusi feasible cascade. Kelebihan kapasitas penyimpanan (FEX) dari jaringan CCS ditentukan dari interval waktu terakhir dalam tabel feasible cascade (di mana tidak terdapat nilai defisit yang ditemukan dalam kolom ke-6)[3].
2
III. URAIAN PENELITIAN A.Pengumpulan Data Dari studi literatur, maka pada penelitian ini diberikan empat variabel yaitu dT (beda waktu) 0 tahun, 5 tahun, 10 tahun, dan 20 tahun. Berikut adalah data yang akan digunakan pada penelitian ini: Tabel 1 Data Source dan Sink
1
CO2 flowrate (Mt/y) 15
CO2 Load (Mt) 300
2
5
3
Start Time (y)
End Time (y)
0
20
150
0
30
5
150
5
30
4
20
400
10
40
5
10
400
0
20
Total
n/a
1400
n/a
n/a
Source
1
25
900
Earliest time available (y) 10
2
15
750
20
70
3
10
550
30
85
Total
n/a
2200
n/a
n/a
Gambar 2. Konsep Carbon Storage Cascade Analysis (CSCA)
Optimisasi dengan berdasarkan multi region menggunakan General Algebraic Modeling System (GAMS) adalah bahasa pemrograman yang menyediakan kerangka dasar yang fleksibel untuk merumuskan dan memecahkan linear, nonlinear dan optimasi mixed-integer problem. Syntax yang lain memungkinkan untuk menyatakan antar variabel, konstanta, dan kendala dalam bentuk set. Melalui syntax ini, file input menyerupai dengan formulasi dari problem optimization. Selain itu, GAMS menyediakan beragam solver untuk mengoptimalkan berbagai formulasi masalah termasuk linear programs (LPs), non-linear programs (NLPs), mixednteger rograms (MILPs, tetapi dalam GAMS disebut MIPs), dan mixed-integer non-linear programs (MINLPs)[4]. II. BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Sistem yang ditinjau adalah Storage system dalam Carbon Capture and Storage (CCS). 2. Metode yang digunakan untuk optimasi jaringan dalam sistem Carbon Capture and Storage (CCS) adalah metode Pinch. 3. Sistem CCS diasumsikan terdiri dari m CO2 source, n CO2 sink, source dan sink dapat mulai beroperasi pada setiap saat selama perencanaan. 4. Setiap i CO2 source (i = 1, 2,..., m) ditandai dengan flowrate penangkapan CO2 yang sesuai dengan potensi maksimum dari penghilangan gas buang pabrik. Selain itu, operasi dari masing-masing sumber i juga didefinisikan. 5. Setiap j CO2 sink (j = 1, 2,..., n) ditandai dengan batas atas untuk kapasitas penyimpanan CO2; maximum rate di mana CO2 dapat diinjeksikan ke setiap sink yang telah diberikan. Kedua karakteristik ini didasarkan pada karakteristik geological storage.
Sink
Injectivity
(Mt/y)
Storage Capacity (Mt)
Characterictic
end time (y) 55
B. Optimisasi berdasarkan Multi Periode Pada setiap interval waktu, setiap bagian source digabung menjadi sebuah bagian kurva komposit, dengan cara menambahkan garis secara diagonal. Pergantian bagian komposit akan dimulai dari ujung akhir dari bagian sebelumnya, yang nantinya digabung menjadi sebuah kurva komposit source. Begitu halnya dengan kurva komposit sink juga dilakukan hal yang sama seperti kurva komposit source[5].
Gambar 3. Penggabungan Kurva Komposit Source dan Sink
Pada gambar diatas menunjukkan bahwa posisi relatif kurva komposit tersebut mengindikasi terjadi tumpang tindih antara kurva komposit source dan sink. Hal tersebut tidak mungkin terjadi dalam kejadian nyata, sehingga disebut sebagai infeasible region. Sebagian dari kurva komposit sink berada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3
disebelah kiri dari kurva komposit source yang berarti bahwa sink hanya siap setelah source tersedia.
Gambar 4 Penggabungan Kurva Komposit Source dan Sink dengan Pinch 0 tahun
Defisit tersebut dapat ditafsirkan sebagai penundaan keputusan untuk menangkap CO2, hingga internal waktu sink (storage) sudah tersedia untuk digunakan. Wilayah dimana kedua kurva komposit tumpang tindih satu sama lain menyiratkan bahwa hanya 1.100 Mt dari CO2 dapat dikirim dari source ke sink yang tersedia. Kurva komposit tersebut menunjukkan berada pada waktu 20 tahun terjadi titik pinch dengan delta waktunya adalah 0. Dengan kata lain, pertemuan kedua kurva komposit tersebut berada pada dititik pinch. Observasi lanjut pada diagram pinch tersebut yaitu tersedianya kapasitas storage sebesar 1.100 Mt yang tidak digunakan sebagai sink dari source tersebut. CO2 yang ditangkap sebesar 1.100 Mt mempresentasikan bahwa 50% dari 2.200 Mt yang dapat disimpan didalam 3 sink tersebut. Tabel 2 Analisa Cascade untuk Source dan Sink dengan Delta Waktu 0 Tahun
Titik Pinch pada diagram tersebut membagi sistem tersebut menjadi 2 wilayah. Sebelum titik pinch, terdapat wilayah dimana CO2 tersebut membutuhkan storage. Sementara setelah titik pinch, terdapat ekses storage. Skenario diatas merupakan salah satu problema yang terjadi pada jaringan ini, karena hampir semua lokasi storage yang potensial akan mengalami beberapa keterlambatan sebelum sink menerima CO2 dari source. Dari gambar IV.3 menunjukkan bawah kurva komposit sink bermulai pada tahun ke 10. Dengan kata lain, storage alternatif harus dicari pada 10 tahun pertama operasi. Apabila tidak tersedia eksternal storage, maka keputusan untuk menangkap CO2 harus ditangguhkan pada tahun ke 10, pada saat storage internal telah siap untuk digunakan.
Gambar 5 Diagram Grid CCS dengan Delta Waktu Pinch 0 tahun
Pada gambar 5 menunjukkan bahwa sink 1 menerima CO2 dari source 1 sampai 4 pada rentang waktu tahun ke 10 sampai 40. Sementara itu, CO2 dari source 5 dikirim ke sink 2 yang berakhir sampai tahun ke 70. Lalu sink 3 yang tersedia mulai tahun ke 30 sampai tahun ke 85 merupakan storage yang tersedia tetapi tidak terjadi injektivitas dari source. Hal tersebut diperkuat dengan kurva komposit sink yang terakhir sepenuhnya berada pada kanan dan bawah titik pinch, yang berakibat sink tersebut tidak menerima CO2 dari source. Namun, dalam sebuah plant yang terjadi tidak mungkin sesuai titik pinch dengan delta waktu 0 tahun. Dari penelitian ini, membahas jaringan optimisasi dengan berbagai variabel delta waktu 5, 10 dan 15 tahun. Hal tersebut dilandaskan dengan kejadian nyata pada sebuah plant carbon capture yang mengalami keterlambatan (delay) pengiriman source ke sink atau mengalami CO2 yang lolos dari sistem ini.
Gambar 6 Penggabungan Kurva Komposit Source dan Sink dengan Pinch 5 tahun
Pada gambar 6 menunjukkan bahwa CO2 dari berbagai source dapat ditangkap hanya 950 Mt dari total 1.400 Mt. Hal tersebut menyebabkan bertambahnya defisit CO2 yang tertangkap dan membutuhkan storage alternatif lainnya sebesar 450 Mt. Begitu juga bertambahnya kapasitas storage yang tak digunakan sebesar 1.250 Mt. Pada kasus ini terjadi titik pinch dengan delta waktu 5 tahun yang berada pada waktu tahun ke 20 – 25. CO2 yang ditangkap sebesar 950 Mt
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) mempresentasikan bahwa 43,2% dari 2.200 Mt yang dapat disimpan didalam 3 sink tersebut.
4
Tabel 4 Analisa Cascade untuk Source dan Sink dengan Delta Waktu 10 Tahun
Tabel 3 Analisa Cascade untuk Source dan Sink dengan Delta Waktu 5 Tahun
Hal begitu juga yang ditunjukkan oleh tabel 3 yang merupakan tabel cascade untuk delta waktu 5 tahun pada tahun ke 20 – 25. Namun, dalam tabel ini tidak menunjukkan letak PINCH dimana, akan tetapi menunjukkan besarnya storage yang dibutuhkan sebagai storage alternatif dan kapasitas storage yang tidak digunakan.
Pada gambar 8 menunjukkan bahwa alokasi CO2 pada sistem carbon capture and storage ini terjadi pada sink 1 yang menerima CO2 dari source 4 setelah titik pinch terjadi. Sedangkan CO2 dari source 1, 2 dan 3 tidak ditampung oleh ketiga sink tersebut dan akhirnya membutuhkan storage alternatif. Sementara itu, source 5 masih ditampung oleh sink 2. Sink 3 tidak menerima CO2 dari sistem carbon capture and storage ini, hal tersebut diperkuat dengan sink 3 tersedia pada tahun ke 30.
Gambar 7 Diagram Grid CCS dengan Delta Waktu Pinch 5 tahun Gambar 8 Diagram Grid CCS dengan Delta Waktu Pinch 10 tahun
Pada variabel delta waktu berikutnya yaitu titik pinch dengan delta waktu 10 tahun berada pada waktu tahun ke 20 – 30. Hal tersebut menunjukkan bahwa semakin sedikit CO2 dari source yang tertangkap oleh sink, yaitu sebesar 800 Mt. Sisanya CO2 dari source sebanyak 600 Mt memerlukan storage alternatif dan juga tersedianya storage dengan kapasitas 1.400 Mt yang tidak digunakan untuk menangkap CO2 dari source sistem ini. CO2 yang ditangkap sebesar 800 Mt mempresentasikan bahwa 36,4% dari 2.200 Mt yang dapat disimpan didalam 3 sink tersebut. Terlihat kecenderung CO2 yang tertangkap lebih sedikit daripada variabel – variabel sebelumnya.
Pada kasus selanjutnya yaitu terjadi titik pinch dengan delta waktu 15 tahun pada tahun ke 20 – 35. Pada tabel 5 menunjukkan bahwa CO2 dari source 4 dikirim ke sink 1 sejumlah 250 Mt dan source 4 mengirim 400 Mt CO2 ke sink 2. Sementara itu sink 3 berupa storage yang tersedia untuk digunakan sebagai sink sistem carbon capture and storage yang lain. Dari diagram alokasi CO2 tersebut akan diperoleh sebuah total capital cost yang dibutuhkan pada sistem jaringan carbon capture and storage ini. Hanya sekitar 22% CO2 yang dapat ditangkap oleh sistem ini.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) Tabel 5 Analisa Cascade untuk Source dan Sink dengan Delta Waktu 15 Tahun
5
merupakan beberapa plant yang berada di wilayah Jawa Timur. Tabel 7 Data Transportation Cost
Gambar 10 Output Solution Sistem Transportasi Jaringan CCS dari Software GAMS
Gambar 9 Diagram Grid CCS dengan Delta Waktu Pinch 15 tahun
Dari beberapa variabel diatas, dapat ditarik sebuah kesimpulan bahwa optimasi terbaik terjadi pada saat variabel delta waktu 5 tahun. Hal tersebut dapat dilihat persen CO2 yang dapat tertangkap dibanding dengan ketersedian kapasitas storage yang ada. Tabel 6 Hasil Perhitungan CCS dengan Diagram Pinch dan Analisa Cascade
Pada gambar diatas menunjukkan bahwa pada sink 1 tersisa 500 Mt, pada sink 2 tersisa 300 Mt sedangkan pada sink 3 tidak terdapat sinkyang tersisa. Pada kasus ini tidak terdapat Uncaptureable CO2, karena kasus yang digunakan pada Software GAMS merupakan kasus multi-region dimana hal ini bertujuan untuk meminimalisasi jumlah Uncaptureable CO2. Hal tersebut sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa Uncaptureable CO2 dapat diminimalisasi dengan cara multiregion. Multi-region merupakan strategi yang terbaik karena dapat menetukan transportasi antar CO2 yang diinginkan. Multi-region memungkinkan untuk menggunakan beberapa perpipaan dengan flowrate yang lebih besar dan untuk mentransfer ke beberapa lokasi yang berbeda pada waktu yang sama[6]. C. Optimisasi berdasarkan Total Annualized Cost Dalam proses jaringan carbon capture and storage ini, total annual cost terdiri dari annual operating cost dan annual fixed cost. Segala pembiayaan yang masuk dalam annual fixed cost terhitung termasuk biaya depresiasi teknologi yang digunakan, biaya instalasi perpipaan dan biaya jasa penangkapan CO2 dari source[7]. Sedangkan untuk annual operating cost didasarkan dari biaya sanksi yang dikeluarkan karena CO2 yang tidak dapat ditangkap oleh sink dan CO2 tersebut membutuhkan storage alternatif. Tabel 8 Hasil Perhitungan TAC dari Sistem CCS
B. Optimisasi berdasarkan Multi Region Pada tabel dibawah ini menunjukkan bahwa transportation cost merupakan pipeline instalation cost karena CO2 yang berasal dari plant didistrubusikan ke storage-storage yang tersedia menggunakan pipeline. Pada studi kasus ini source
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) [5]
[6]
[7] [8]
Gambar 11 Grafik Nilai TAC Pada Sistem CCS
Berdasarkan grafik diatas diketahui bahwa total annualized cost optimum adalah sebesar 75.000.000 USD ketika nilai delta waktu pada tahun ke 6,5. Hal tersebut merupakan didaerah optimum yaitu dengan delta waktu antara 5-10 tahun. Dari penelitian dapat disimpulkan bahwa total annualized cost optimum menunjukkan bahwa tahun ke 6,5 merupakan delta waktu yang optimal untuk melakukan sistem operasi carbon capture and storage[8]. III. KESIMPULAN Metode pinch ini dalam sistem carbon capture and storage dengan analisa cascade kemudian dapat diterapkan untuk memberikn lebih tepat perhitungan aljabar yang setara dengan diagram pinch. Rincian dari metode tersebut dapat mengidentifikasi pilihan yang mungkin sebagai peta jalan yang akan diadopsi dalam perencanaan awal dan penilain kelayakan dalam membangun jaringan carbon capture and storage system. Optimisasi jaringan carbon capture and storage ini dikembangkan berdasarkan sistem multi region yang dapat dilakukan dengan perhitungan matematis program linier. Tanpa memperhitungkan periode waktu mulai dan akhir untuk mengirim CO2 dari source menuju sink, hal ini menyebabkan CO2 dari source akan tertangkap atau ditampung semua oleh sink yang tersedia apabila kapasitas storage lebih besar dari CO2 dari source. Dengan kata lain, penggunaan metode linier ini cenderung tidak valid karena tidak memperhitungkan ketersediaan waktu dalam sistem carbon capture and storage. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis A.D.R. dan D.R.Z mengucapkan terima kasih yang sebesar-besaranya kepada kedua orang tua dan sahabatsahabat kami. Serta Bapak Renanto dan Bapak Juwari selaku pembimbing pada tugas akhir kami. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3] [4]
EEA. (2011). Air Pollution Impact from Carbon Capture Storage. The European environment — state and outlook 2011 report, European Environment Agency. Linnhoff B. and Hindmarch E. (1983). Pinch Design Method of Heat Exchanger Network, Chemical Engineering Science 38. Ooi, R. E.H,. Foo, D. C. Y., Tan, R. R. (2013). Planning of Carbon Capture and Storage with Pinch Analysis Techniques. Philippines. Seider, W. D., Seader, J. D., Lewin, D. R. (2002). Product and Process Design Principles. Wiley. America.
6
Diamante, J. A. R., Tan, R. R., Aviso, K. B., Bandyopadhyay, S., Ng, D. K. S., Foo, D. Y. (2013). Unified Graphical Pinch Approach for Targeting of Carbon Capture and Sequestration (CCS) Systems over Multiple Time Periods. Proceedings of the 6th International Conference on Process Systems Engineering (PSE ASIA) 25 - 27 June 2013. Diamante, J. A. R., Tan, R. R., Aviso, K. B., Bandyopadhyay, S., Ng, D. K. S., Foo, D. Y. (2012). A Graphical Approach for Pinch-Based Source-Sink Matching and Sensitivity Analysis in Carbon Capture and Storage (CCS) Systems. Industrial and Engineering Chemistry. Heddle, Gemma., Herzog, Howard., Klett, Michael. (2003). The Economics of CO2 Storage. MIT LFEE. Cambridge. El-Halwagi, M.M. (2006). Process Integration. USA, San Diego: Elsevier Inc.
