Potensi Pengembangan Bio-Compressed Methane Gases (Bio-CMG) dari Biomassa sebagai Pengganti LPG dan BBG

Potensi Pengembangan Bio-Compressed Methane Gases (Bio-CMG) dari Biomassa sebagai Pengganti LPG dan BBG

Prof. Ir. Arief Budiman, MS, D.Eng

Pusat Studi Energi, UGM Disampaikan pada Seminar Nasional Pemanfaatan Gas Alam menuju Kedaulatan Energi Indonesia Yogyakarta, 25 Agustus 2014

Outline Presentasi 

Pendahuluan



Proses Gasifikasi



Teknologi Gasifikasi



Proses Sabatier (sintesis metana)



Hasil Bio-metana dari Biomassa



Kegunaan Lain Syn-gas Hasil Gasifikasi Biomassa

Biomassa menjadi Bio-CMG

PENDAHULUAN

Biomass menjadi Bio-CMG

Potensi Biomassa di Indonesia Biomass waste

Solid waste from palm oil production

20 million tons/year

Bagasse

Biomass waste from industrial forest

Plantation field

12 million tons/year

54 million tons/year

12 miliion tons/year

Biomassa menjadi Bio-CMG

Kapasitas Terpasang dan Potensi PLT Biomassa di Indonesia

Konsep Sintesis Metana dari Biomassa

Biomassa menjadi Bio-CMG

Perbandingan Proses Termokimia dan Biokimia Termokimia

Biokimia

1. Temperatur tinggi

1. Temperatur rendah

2. Tekanan tinggi

2. Tekanan rendah

3. Membutuhkan katalis logam

3. Membutuhkan katalis enzim

4. Tidak menggunakan organisme

4. Membutuhkan organisme dan kontrol organisme relatif sulit

5. Reaksi relatif sedikit sensitif terhadap kondisi reaksi

5. Reaksi sangat sensitif terhadap kondisi reaksi

6. Waktu reaksi relatif cepat

6. Waktu reaksi relatif lama

7. Ukuran reaktor relatif lebih kecil

7. Ukuran reaktor relatif lebih besar

Biomassa menjadi Bio-CMG

Sintesis Metana dengan Termokimia Sintesis metana dengan proses termokimia pada skala besar akan lebih efisien dibandingkan denga proses biokimia. Hal ini karena waktu reaksi relatif lebih singkat dan ukuran alat lebih kecil.  Tetapi, kelemahan proses termokimia adalah membutuhkan energi yang relatif tinggi untuk mencapai suhu dan tekanan operasi yang tinggi.  Alur sintesis metana denga proses termokimia adalah sebagai berikut : 

Biomassa

Proses Gasifikasi

Syn-gas

Proses Sebatier

Metana

Biomassa menjadi Bio-CMG

Kebijakan Energi Pemerintah Indonesia

Biomassa menjadi Bio-CMG

PROSES GASIFIKASI

Gasifikasi Batubara

Konsep Proses Gasifikasi

Biomassa menjadi Bio-CMG

Proses Gasifikasi Gasifikasi adalah sebuah proses kimia secara termal dari material organik menjadi bahan bakar gas (syn-gas) pada suhu yang tinggi dan keberadaan oksigen yang terbatas (Higman and Burgt, 2003).  Proses gasifikasi membutuhkan medium, disebut gasifying medium, yang mempunyai unsur oksigen. Gasifying medium menyediakan unsur oksigen untuk bereaksi dengan batubara membentuk karbon monoksida (CO). Gasifying medium yang sering digunakan adalah udara, oksigen dan steam.  Syn-gas secara umum terdiri dari gas hidrogen (H2), karbon monoksida (CO), metana (CH4) dan karbon dioksida (CO2) (Bridgwater, 1995). Selain bahan bakar gas, proses gasifikasi juga menghasilkan produk padat (char) dan produk cair (bio-oil), seperti diilustrasikan pada Gambar 1. 

Gasifikasi Batubara

Proses Gasifikasi

Gambar 1. Alur skematik proses gasifikasi batubara

Gasifikasi Batubara

Proses Gasifikasi Empat proses utama di dalam gasifikasi adalah sebagai berikut.

Gasifikasi Batubara

Proses Gasifikasi Reaksi-reaksi utama pada gasifikasi adalah sebagai berikut.  Pyrolysis Biomass + heat Char + Tar (bio-oil) + Gas (CO, CO2, H2, CH4)  Combustion (Oxidation) C(s) + ½ O2(g) 2CO(g) CO(g) + ½ O2(g)

CO2(g)

C(s) + O2(g)

CO2(g)

H2(g) + ½ O2(g)

H2O(g) Gasifikasi Batubara

Proses Gasifikasi Reaksi-reaksi utama pada gasifikasi adalah sebagai berikut. 

Reduction C(s) + CO2(g)

2CO(g)

(Boudouard reaction)

C(s) + H2O(g)

CO(g) + H2(g)

(Water-gas reaction)

C(s) + H2(g)

2CH4(g)

(Methanation)

CO(g) + H2O(g)

CO2(g) + H2(g)

(Water-gas shift)

CH4(g) + H2O(g) reforming)

CO(g) + 3H2(g)

(Steam-methane

Gasifikasi Batubara

Komposisi Syn-gas Komposisi syn-gas hasil gasifikasi digambarkan sebagai berikut :

secara

umum

Gasifikasi Batubara

dapat

TEKNOLOGI GASIFIKASI

Gasifikasi Batubara

Teknologi Gasifikasi Teknologi gasifikasi dibedakan berdasarkan jenis gasifier yang digunakan. Menurut Basu (2013), ada tiga jenis gasifier kontinyu yang digunakan untuk gasifikasi batubara. 1.

Moving-bed Gasifier

2.

Fluidized-bed Gasifier

3.

Entrained-flow Gasifier

Gasifikasi Batubara

1. Moving-bed Gasifier Moving-bed gasifier merupakan gasifier dengan tumpukan batubara yang bergerak dari atas ke bawah tanpa terfluidisasi. Setiap batubara akan melewati semua zona proses gasifikasi di dalam gasifier secara teratur. Ada dua tipe moving-bed gasifier :  Updraft gasifier  Downdraft gasifier

Gasifikasi Batubara

1. Moving-bed Gasifier (Updraft gasifier) Updraft gasifier merupakan moving-bed gasifier dengan produk gas keluar pada bagian atas gasifier. Gasifying medium dipanaskan dan diumpankan ke dalam gasifier melalui lubang pada bagian bawah gasifier.

Gasifikasi Batubara

1. Moving-bed Gasifier (Downdraft gasifier) Downdraft gasifier merupakan moving-bed gasifier dengan produk gas keluar pada bagian bawah gasifier. Gasifying medium dipanaskan dan diumpankan ke dalam gasifier melalui lubang pada bagian tengah gasifier atau tepat di bawah zona pirolisis.

Gasifikasi Batubara

2. Fluidized-bed Gasifier Fluidized-bed gasifier merupakan gasifier dengan batubara yang terfluidisasi di dalam gasifier. Batubara diumpankan pada bagian atas atau samping gasifier. Gasifying medium diumpankan pada bagian bawah gasifier dan sekaligus digunakan sebagai gas yang memfluidisasi batubara. Sedangkan, produk gas keluar pada bagian atas gasifier.

Gasifikasi Batubara

3. Entrained-flow Gasifier Entrained-flow gasifier merupakan gasifier dengan batubara diumpankan bersama dengan gasifying medium ke dalam gasifier. Untuk memudahkan dalam pengumpanan ke dalam gasifier, terutama jika bertekanan, umpan batubara dapat dicampur dengan air membentuk slurry. Gasifying medium dijaga pada kecepatan tinggi untuk meng-entrain batubara. Ada dua tipe Entrained-flow gasifier : A. Batubara dan gasifying medium diumpankan melalui sampingbawah gasifier. B. Batubara dan gasifying medium diumpankan melalui atas gasifier.

Gasifikasi Batubara

3. Entrained-flow Gasifier

Gasifikasi Batubara

Rangkuman Teknologi Gasifier Rangkuman perbedaan pola aliran beberapa tipe gasifier :

Gasifikasi Batubara

Rangkuman Teknologi Gasifier Rangkuman perbedaan jenis gasifier :

Gasifikasi Batubara

Proses Sabatier (Sintesis Metana)

Gasifikasi Batubara

Proses Sabatier (sintesis metana) Proses Sabatier adalah proses kimia secara termal yang mereaksikan karbon dioksida dengan hidrogen menjadi metana dengan bantuan katalis.  Proses Sabatier berlangsung pada temperatur optimal antara 250 – 300oC.  Proses Sabatier membutuhkan katalis nikel atau ruthenium yang diembankan pada alumina untuk mempercepat reaksi dan meningkatkan selektivitas reaksi. 



Reaksi pada Proses Sabatier : 𝐶𝑂2 + 4 𝐻2 ↔ 𝐶𝐻4 + 2 𝐻2 O + 165 kJ/mol

Gasifikasi Batubara

Konsep Proses Sabatier (sintesis metana)

Palm Empty Fruit Bunches to Engine Fuel

Hasil Bio-metana dari Biomassa

Gasifikasi Batubara

Hasil Bio-metana dari Biomassa Potensi limbah biomassa di Indonesia yang dapat dikonversi menjadi energi adalah 98 juta ton per tahun.  Apabila biomassa tersebut dikonversi menjadi metana dengan proses gasifikasi dan proses Sabatier, maka perkiraan metana yang dihasilkan adalah sebesar 2,22 TSCF/tahun atau setara dengan kalor 5,65 x 1014 kkal/tahun.  Konsumsi LPG di Indonesia pada tahun 2014 diprediksi mencapai 6,1 juta ton atau setara dengan kalor sebesar 6,84 x 1013 kkal.  Konsumsi Premium di Indonesia pada tahun 2014 diprediksi mencapai 40 juta kL atau setara dengan kalor sebesar 4,05 x 1014 kkal. 

Gasifikasi Batubara

Diagram hasil bio-metana dari biomassa Biomassa (98 juta ton/th)

Proses Gasifikasi dan Sabatier

Bio-metana (2,22 TSCF/th) Subtitusi LPG (0,28 TSCF/th)

Subtitusi Premium (1,60 TSCF/th)

Subtitusi BBM lain (0,34 TSCF/th)

Gasifikasi Batubara

Hasil Bio-metana dari Biomassa Bio-metana digunakan sebagai pengganti LPG dalam bentuk BioCompressed Methane Gases (Bio-CMG). Bio-metana ditekan hingga 11 bar untuk disalurkan ke industri atau rumah tangga melalui jaringan pipa gas.  Sedangkan bio-metana juga digunakan sebagai pengganti Premium dalam bentuk Bio-CMG dengan memodifikasi sistem pengumpanan bahan bakar pada mesin kendaraan.  Bio-metana ditekan hingga 11 bar untuk disalurkan ke stasiun pengisian bahan bakar gas (SPBG) melalui jaringan pipa gas. Kemudian Bio-CMG diisikan ke tangki bahan bakar kendaraan dengan tekanan 200 bar.  Kekurangan dari teknologi bahan bakar gas adalah tekanan penyimpanan pada kendaraan yang sangat tinggi sehingga memiliki resiko yang sangat tinggi pula. 

Gasifikasi Batubara

Kegunaan Lain Syn-gas Hasil Gasifikasi Biomassa

Gasifikasi Batubara

Kegunaan Syn-gas Syn-gas merupakan produk utama dalam proses gasifikasi biomassa. Berbagai macam kegunaan syn-gas adalah sebagai berikut.

Gasifikasi Batubara

Kegunaan Syn-gas Penggunaan syn-gas secara langsung adalah untuk : 1. bahan bakar boiler 2. power generation 3. hydrogen treatment 4. fuel cells

Penggunaan syn-gas secara tidak langsung adalah untuk : 1. pupuk urea 2. metanol 3. etanol 4. bahan bakar sintetis 5. bahan kimia Gasifikasi Batubara

Sintesis pupuk urea Sintesis ammonia dari syn-gas hasil gasifikasi batubara sesuai dengan reaksi berikut.  Sintesis ammonia 𝑁2 + 3 𝐻2 ↔ 2𝑁𝐻3

Reaksi sintesis ammonia membutuhkan kondisi operasi reaktor pada suhu 350-550oC dan tekanan 100-250 bar. Katalis yang digunakan dalam sintesis ammonia adalah besi. 

Sintesis pupuk urea 2 𝑁𝐻3 + 𝐶𝑂2 ↔ 𝐶𝑂(𝑁𝐻2 )2

Reaksi sintesis urea dijalankan pada reaktor dengan suhu 180190oC dan tekanan 140-150 bar. Gasifikasi Batubara

Sintesis ammonia Diagram proses sintesis ammonia dari syn-gas hasil gasifikasi batubara adalah :

Gasifikasi Batubara

Sintesis pupuk urea Diagram proses sintesis urea dari ammonia dan karbondioksida adalah :

Gasifikasi Batubara

Sintesis metanol Sintesis metanol dari syn-gas hasil gasifikasi batubara dapat dilakukan dengan beberapa teknologi proses dan reaksi.

Gasifikasi Batubara

Sintesis metanol

Gasifikasi Batubara

Sintesis etanol Sintesis etanol dari syn-gas hasil gasifikasi batubara dapat dilakukan dengan dua cara:  Prosess Fischer-Tropsch (FT) 2 𝐶𝑂 + 4 𝐻2 ↔ 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 𝐻2 O Reaksi FT dijalankan pada reaktor dengan suhu 150-300oC dan tekanan hingga 50 bar. Katalis yang digunakan adalah besi dan cobalt. 

Proses fermentasi 6 𝐶𝑂 + 3 𝐻2 O → 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 4 𝐶𝑂2 6 𝐻2 + 2 𝐶𝑂2 → 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 3 𝐻2 O

Reaksi fermentasi dijalankan pada reaktor dengan suhu 37-40oC dan tekanan atmosferis. Bakteri yang digunakan adalah Butyribacterium methylotrophicum dan Clostridium sp. Gasifikasi Batubara

Sintesis etanol Diagram proses sintesis ethanol dari syn-gas hasil gasifikasi batubara adalah :

Gasifikasi Batubara

Sintesis bahan bakar sintetik Sintesis bahan bakar sintetik dari syn-gas hasil gasifikasi batubara dilakukan dengan cara:  Prosess Fischer-Tropsch (FT)

𝑛 𝐶𝑂 + (2𝑛 + 1) 𝐻2 ↔ 𝐶𝑛 𝐻(2𝑛+2) + 𝑛 𝐻2 O Reaksi FT dijalankan pada reaktor dengan suhu 150-300oC dan tekanan hingga 50 bar. Katalis yang digunakan adalah besi dan cobalt.

Gasifikasi Batubara

Sintesis bahan bakar sintetik Diagram proses sintesis ethanol dari syn-gas hasil gasifikasi batubara adalah :

Gasifikasi Batubara

THANK YOU

Gasifikasi Batubara