Peran Biomasa dan Cooling Tower pada Green Hyperscale Data Center

Menjalankan operasi data besar membutuhkan listrik yang stabil dan tidak terputus serta pendinginan yang andal. Pembangkit listrik tenaga surya saja murah tetapi tidak stabil. Sifat intermittensi pembangkit listrik tenaga surya (sama seperti pembangkit listrik tenaga angin) akan menjadi hambatan sebagai sumber energi utama data center. Banyak energi dapat dihasilkan pada siang hari dan digunakan, tetapi energi yang tidak digunakan akan hilang begitu saja. Penyimpanan memungkinkan energi untuk digunakan kemudian, yakni misalnya untuk memenuhi kebutuhan selama periode permintaan tinggi, bukan hanya saat matahari bersinar. Hal inilah sehingga pembangkit listrik tenaga surya skala besar harus dipadukan dengan penyimpanan baterai. Energi bersih sekarang terkait erat dengan keandalan, waktu, dan perencanaan operasional, bukan hanya target emisi. Tetapi baterai kapasitas besar tersebut biayanya sangat mahal. 

 

Penggunaan bahan bakar biomasa untuk produksi listrik sebagai sumber energi data center akan menjadi kombinasi yang ideal dengan pembangkit listrik tenaga surya (panel surya) tersebut. Bahan bakar biomasa sebagai bahan bakar padat seperti batubara maka teknologi pembakaran untuk menghasilkan listrik juga sama. Bedanya bahan bakar biomasa adalah sumber energi terbarukan atau carbon neutral fuel, sedangkan batubara adalah bahan bakar fosil atau carbon positive fuel, Selain fasilitas pembangkit listrik biomasa, pembangkit listrik dari biogas juga bisa digunakan untuk mengatasi masalah intermittent pembangkit listrik tenaga surya (panel surya).  Hal ini karena fasilitas biomassa dan biogas menyediakan pembangkitan yang konsisten sepanjang tahun, menawarkan operator sistem kapasitas yang berharga dan dapat diatur yang dapat ditingkatkan atau diturunkan sesuai kebutuhan. 

Pendinginan yang handal bisa dilakukan dengan menggunakan cooling tower. Cooling tower adalah perangkat penukar panas secara evaporative cooling yang umum digunakan diberbagai industri pengolahan (kilang minyak, petrokimia, pulp and paper, tekstil dsb), maupun pembangkit listrik (batubara, gas, geothermal maupun biomasa). Faktor kunci berupa kualitas air sangat penting bagi operasional cooling tower tersebut, untuk lebih detail tentang berbagai masalah air pada cooling tower baca disini. Dengan cooling tower tersebut maka kebutuhan air untuk operasional data center bisa efisien karena air disirkulasi secara terus-menerus, bukan sekali pakai (once through system). Apalagi dengan water treatment technology menggunakan teknologi AOP (advanced oxidation process) untuk cooling tower water conditioner, maka selain hemat biaya juga ramah lingkungan karena tidak menghasilkan polusi sekunder dari aplikasinya.  

Masalah-Masalah Terkait Air pada Cooling Tower

Tetesan air lembut yang terus-menerus bisa membuat batu berlubang. Apalagi aliran air yang terus menerus, maka sedikit demi sedikit juga akan menggerus semua yang dilewatinya. Contoh lebih dramatis dan spektakuler adalah Grand Canyon di Arizona, Amerika Serikat. Apalagi kalau air yang dialirkan tersebut air panas maka akan lebih cepat air tersebut menggerus atau melarutkan padatan yang dilewatinya (leaching), dibandingkan air dingin. Pada saat air panas kembali ke cooling tower, air tersebut sudah penuh dengan padatan tersuspensi. Cooling tower sebagai alat untuk membuang panas, mengalirkan air panas dari bagian atas menara dan udara dingin dari lingkungan yang berkontak dengan air hangat tersebut mengambil panasnya. Sebagai akibat kontak tersebut maka air akan lebih dingin dan udara akan menjadi lebih hangat.  

Air panas tersebut juga cenderung bersifat korosif dan membentuk endapan. Hal itulah mengapa bahan-bahan yang digunakan untuk membangun cooling tower harus bahan yang tahan lama dan mampu menahan perbedaan suhu yang besar. Jenis kayu dan plastik tertentu bisa digunakan untuk bahan konstruksi cooling tower tersebut. Apabila kualitas bahan rendah, maka konstruksi cooling tower hanya akan berumur pendek, dan bahkan membahayakan. Ketika air panas memasuki cooling tower yang bercampur dengan padatan tersuspensi, sejumlah air tersebut mengalami penguapan dan meninggalkan padatan tersuspensi tersebut. Cairan yang kaya akan padatan tersuspensi tersebut terkonsentrasi di dalam bak, bagian bawah cooling tower. Seiring waktu, konsentrasi padatan tersuspensi ini meningkat hingga mencapai tingkat yang harus dikendalikan yakni dengan cara dikeluarkan dari sistem atau blowdown.  

Udara luar yang berkontak dengan air dari cooling tower tersebut mengandung debu atau partikel-partikel kecil dan juga mikroorganisme seperti berbagai bakteri, spora jamur dan ganggang / algae. Debu atau partikel-partikel kecil tersebut akan tersuspensi dan terakumulasi / terkonsentrasi membentuk endapan berupa lumpur atau kerak. Dengan adanya sinar matahari mikroorganisme seperti bakteri dan algae tersebut berfotosintesa sehingga berkembangbiak dan semakin banyak. Bahkan bakteri patogen seperti legionella bisa menyebabkan penyakit legionnaires. Lumpur dan algae tersebut akan mengotori dan menyumbat pipa-pipa penukar panas (heat exchanger tubes)  serta mempercepat korosi pipa tersebut. 

Pada alat penukar panas (heat exhanger) tersebut jika ketebalan kerak (scale) 0,3 mm diperkirakan terjadi kehilangan panas / energy (heat / energy loss) 10% dan jika ketebalan kerak (scale) 0,6 mm diperkirakan terjadi kehilangan panas / energy (heat / energy loss) 23%.  Dan secara umum, pengotoran (fouling) menyebabkan kehilangan energi/panas tahunan sekitar 15%, sehingga memerlukan perawatan dan penggantian pipa setiap 3–5 tahun. Jika tidak ditangani dengan baik, kehilangan panas/energi akibat pengotoran (fouling) dapat mencapai hingga 70% setelah lima tahun. Jamur dan bakteri akan menyebabkan pembusukan / pelapukan kayu sehingga rapuh dan hancur. Demikian juga reaksi oksidasi pada permukaan logam, karena logam-logam tersebut melepas elektron atau menangkap oksigen, sehingga menyebabkan korosi pada logam tersebut. Korosi pada logam membuat logam menjadi semakin habis terkikis, rapuh dan hancur. 

Untuk menjaga kualitas air dari berbagai pengotor cooling tower yang volumenya hingga ribuan ton/jam dan beroperasi 24 jam per hari, tentu bukan sederhana. Hanya dengan menjaga kualitas air tersebut maka kinerja dan masa pakai cooling tower bisa sesuai target rancangannya. Penggunaan teknologi yang efektif, efisien dan ramah lingkungan adalah opsi terbaik. Teknologi AOP (Advanced Oxidation Process) adalah inovasi untuk berbagai problem tersebut. Pendekatan teknologi ini mengatasi berbagai masalah air pada cooling tower tersebut secara efektif, efisien dan ramah lingkungan, sebagai contoh di dalam sel alga, ion dari  AOP (Advanced Oxidation Process) menyerang gugus sulfida yang terkandung dalam asam amino sisa protein yang terlibat dalam fotosintesis. Akibatnya, fotosintesis terhambat, dan sel-sel tersebut larut atau hancur. Jika sel algae dan mikroba tetap ada, pertumbuhan kembali sel tersebut terhambat oleh ion AOP yang ada di dalam air, sehingga mencegah perkembangbiakan alga. Selama proses ini, bakteri juga mati atau menjadi tidak aktif. 

Contoh kedua yakni pada mekanisme pencegahan karat pipa. Besi (Fe) kehilangan elektron sesuai dengan reaksi oksidasi dan membentuk karat.Namun, ketika material AOP berpartisipasi dalam reaksi ini dan melepaskan elektron terlebih dahulu, besi dicegah melepaskan elektron, sehingga menekan pembentukan karat. Besi berkarat diubah menjadi karat hitam melalui reaksi AOP, membentuk lapisan (film) oksida padat yang mencegah korosi lebih lanjut dan melindungi pipa dan struktur.

Dan contoh ketiga yakni mekanisme pencegahan kerak (scale). Saat air melewati sistem AOP, ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg)—komponen penyebab kesadahan—dihilangkan melalui kristalisasi dalam fase cair, sehingga air menjadi lunak. Partikel kalsium karbonat yang dihasilkan tidak dapat menempel pada pipa. Dalam air sadah yang mengandung ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg), struktur kerak seperti jarum biasanya terbentuk dan menempel pada dinding pipa. Melalui treatment AOP, ion pembentuk kerak mengalami pertumbuhan partikel dalam fase cair, membentuk partikel bulat dengan ukuran mulai dari beberapa mikrometer hingga puluhan mikrometer. 

Menurut rumus Gibbs–Kelvin, energi bebas volumetriknya berkurang dan daya rekat hilang, sehingga mencegah menempel pada dinding pipa. Kerak (scale) akan terakumulasi di dasar bak (basin) dan dikeluarkan dengan mekanisme blowdown. Selain itu teknologi AOP ini juga akan menghilangkan kerak (scale) yang sudah terlajur menempel pada pipa (scale removal existing pipes) dan juga efek sterilisasi yang juga sangat penting bagi kualitas air cooling tower tersebut seperti menghindari pembusukan / pelapukan kayu dan membunuh bakteri patogen, kedua aspek ini insyaallah akan dijelaskan pada kesempatan lain. 

Untuk mengukur kinerja cooling tower berdasarkan masalah yang dihadapi dan solusi yang dilakukan sejumlah parameter digunakan. Parameter tersebut antara lain:   
• pH air
• Total padatan terlarut (TDS)
• Daftar periksa peralatan menara
• Filter dan saringan
• Suhu bola basah (wet bulb temperature) dan kelembaban (humidity)

Sedangkan terkait keselamatan (safety) pada cooling tower juga merupakan hal penting dan perlu diperhatikan. Sejumlah hal tersebut adalah : 
• Bahan tambahan kimia (jika menggunakannya dan belum dengan teknologi AOP)
• Peralatan berputar (rotating equipment)
• Bahaya air panas
• Bekerja di ketinggian
• Bekerja dengan aman di atas cooling tower.
• Kegagalan peralatan (equipment failures) 
• Korosi logam dan pembusukan/pelapukan kayu

Pemakaian cooling tower bisa dikatakan sebagai peralatan penting dan mendasar untuk operasional industri pada umumnya. Mulai dari pembangkit listrik baik yang masih menggunakan energi fossil, cofiring maupun pembangkit listrik biomasa hingga pembangkit listrik panas bumi/ geothermal, data center, industri kimia, industri biorefinery, industri petrokimia, industri besi dan baja, industri makanan, industri farmasi, industri tekstil, industri pulp and paper dan sebagainya. Terkait era dekarbonisasi dan keberlanjutan / sustainibility penggunaan energi terbarukan seperti biomasa termasuk wood pellet dan palm kernel shell/PKS sebagai bagian dari carbon neutral fuel atau carbon negative seperti carbon capture and storage (CCS) hingga biochar,  tentu saja teknologi yang ramah lingkungan apalagi mudah dalam operasional, biaya investasi terjangkau hingga repair-maintenance, akan menjadi pilihan bagi industri-industri tersebut, seperti teknologi AOP untuk pengkondisian air pada cooling tower sehingga memberikan penghematan yang signifikan.  

Optimasi Kinerja Cooling Tower dengan Peningkatan Kualitas Air dengan Teknologi AOP Ramah Lingkungan

Cooling tower (menara pendingin) adalah perangkat penting dan vital bagi operasional berbagai industri pengolahan secara luas. Proses pendinginan tersebut bagi suatu industri pengolahan, industri kimia, industri migas (kilang minyak dan petrokimia), industri biofuel dan biorefinery, pembangkit listrik (berbahan bakar fossil fuel maupun biomasa), geothermal  hingga data center skala besar (hyperscale) sangat penting. Dengan kondisi proses yang tercapai maka industri tersebut bisa menghasilkan produk yang ekonomis / efisien dan stabil. 

Media pendingin di industri atau pabrik tersebut berupa air, dan air tersebut didinginkan dalam cooling tower. Dan udara dari atmosfer digunakan untuk mendinginkan air hangat dari proses di industri atau pabrik melalui alat cooling tower ini. Hal ini sehingga terjadi kontak langsung antara udara dari atmosfer dengan air hangat untuk didinginkan tersebut. Hal inilah yang menjadi salah satu sumber pengotor bagi air cooling tower tersebut. Sejumlah air tambahan (make-up water) juga perlu ditambahkan untuk mengganti air yang hilang seperti blow down, kebocoran dan sebagainya. 

Dengan operasional 24 jam secara terus menerus hampir setahun penuh dengan volume air pendingin yang disirkulasikan juga besar hingga ribuan ton/jam , tentu bukan hal sederhana untuk bisa menjaga kualitas air tetap baik dan stabil. Apabila kualitas air tidak bisa dijaga maka akan muncul sejumlah masalah serius. Sejumlah masalah bagi operasional cooling tower tersebut seperti korosi, kerak, terbentuk lapisan karena green algae, bahan-bahan organik dan sejumah mikro organisme akan menurunkan performa cooling tower tersebut. Apabila hal itu terjadi maka pertukaran panas akan tergangggu dan kebutuhan energi untuk operasional cooling tower akan meningkat. Ketika proses pendinginan tidak berjalan sebagaimana mestinya hal tersebut juga akan berpengaruh pada kualitas produk dan keawetan peralatan produksi, bahkan ekstrimnya jika cooling tower tidak berfungsi maka industri atau pabrik tersebut akan berhenti beroperasi (shut down). 

Pada kondisi cooling tower yang rusak atau efisiensi rendah seperti karena terjadinya kerak sehingga terjadi efek pembuangan panas yang rendah dan banyak kehilangan energi. Lalu terjadinya karat menyebabkan pipa rapuh dan bocor sehingga umur pakai pipa singkat saja. Lalu munculnya green algae, lumut dan lumpur dari akumulasi bahan organik hal-hal tersebut akan menganggu aliran air bahkan penyumbatan pada pipa dan kran-kran.  Pengganggu lainnya yakni adanya bakteri dan khususnya legionella (bakteri patogen yang menyebabkan legionellosis) yang menyebabkan berbagai masalah kesehatan.  

Air dingin sebagai output / produk dari cooling tower akan digunakan sebagai media pendingin dalam industri atau pabrik seperti kondensor maupun alat penukar panas lainnya.  Lapisan pengotor (fouling) yang terbentuk oleh kerak pada permukaan alat penukar panas (heat exchanger) pada akhirnya mengurangi koefisien perpindahan panas secara keseluruhan. Secara umum, sekitar 15% energi hilang setiap tahunnya karena penurunan efisiensi perpindahan panas yang disebabkan oleh pengotoran (fouling). Oleh karena itu, perlu dilakukan penggantian pipa secara berkala setiap 3 hingga 5 tahun sekali, dan itu bukan biaya yang murah. Bahkan jika masalah pengotor (fouling) ini tidak dikendalikan maka kehilangan panas (heat loss) dapat mencapai hingga 70% setelah lima tahun beroperasi.

Apabila terjadi masalah maka perbaikan perlu dilakukan dan sering kali perbaikan cooling towetr tersebut berbiaya mahal. Sejumlah perbaikan / reparasi pada cooling tower tersebut meliputi perbaikan struktur, penggantian komponen mekanik, drift eliminators, distribusi air dan tipe fill. Selain masalah desain dari pembuat alat cooling tower tersebut masalah kualitas air sangat berpengaruh pada performa hingga umur pakai peralatan tersebut. Hal ini sehingga salah satu solusinya yakni upaya untuk menjaga kualitas air tersebut harus dimaksimalkan. 

Teknologi AOP (advanced oxidation process) telah menjadi perhatian negara-negara maju untuk memaksimalkan kualitas air termasuk air sebagai media pendingin yang diproses dalam cooling tower. Teknologi AOP memberikan sterilisasi lengkap tanpa meninggalkan residu beracun dan menunjukkan daya oksidasi yang jauh lebih kuat daripada oksidan konvensional seperti klorin, klorin dioksida, dan kalium permanganat. Teknologi AOP yang dirancang khusus untuk kecepatan dan intensitas reaksi akan sangat efektif untuk tujuan tersebut.  

Dibandingkan treatment dengan bahan kimia, walaupun treatment secara kimia masih umum digunakan, tetapi terdapat pembatasan karena pencemaran lingkungan dan produksi formaldehida, serta karena para pekerja terkena bahaya yang serius. Seiring dengan semakin ketatnya pembatasan terhadap pencemaran lingkungan oleh pemerintah masing-masing, penggunaan bahan kimia akan semakin dibatasi. Beberapa negara maju mulai mengendalikan penambahan bahan kimia. Pemerintah Singapura melarang penambahan bahan kimia ke cooling tower sejak tahun 2008.

Jika tertarik mengetahui teknologi AOP dan aplikasinya untuk cooling tower water conditioner tersebut, silahkan kontak : eko.sbs@gmail.com