Dekarbonisasi Pada industri Baja

Produksi baja dunia mencapai 1,9 miliar ton pada tahun 2020, dengan komposisi China sekitar setengahnya dan diikuti negara-negara Uni-Eropa. Jerman dengan produksi tahunan dikisaran 42 juta ton adalah sebagai produsen baja terbesar di Eropa atau sekitar seperempat produksi baja Eropa, sedangakn seperempat lainnya adalah Italia dan Perancis, kemudian diikuti Belgia, Polandia, Spanyol. Industri baja ini berkontribusi menyumbang CO2 sebanyak 8% secara global, setiap ton produksi baja menghasilkan emisi CO2 rata-rata sebanyak 1,85 ton dan dibanding pertambangan bijih besinya, produksi besi dan baja berkontribusi jauh lebih besar pada emisi CO2. Upaya dekarbonisasi industri baja dimulai dengan pengunaan energi terbarukan untuk peleburan / smelter-nya. Bahan bakar berbasis biomasa berupa arang yang memiliki nilai karbon tinggi bisa menggantikan penggunaan kokas yang berasal dari batubara. Dan penggunaan hidrogen dari sumber energi terbarukan menjadi target puncak dekarbonisasi pada industri baja tersebut. 

Saat ini industri baja sebagian besar menggunakan batubara sebagai bahan bakarnya dengan menggunakan blast furnace. Untuk mengurangi intensitas karbon maka digunakan bahan bakar gas atau gas alam sebagai bahan bakarnya. Penggunaan bahan bakar gas (BBG) berupa gas alam tersebut juga sebagai media transisi dan pada dasarnya karena berasal dari bahan bakar fossil maka juga merupakan bahan bakar karbon positif. Selain itu penggunaan BBG berupa gas alam juga sebagai bahan bakar transisi sebelum ke hidrogen dari energi terbarukan. Penggunaan bahan bakar karbon berbasis biomasa berupa arang memiliki efek lebih baik bagi iklim karena merupakan bahan bakar karbon netral. Selain itu secara teknis karena merupakan bahan bakar padat sama seperti batubara maka praktis tidak banyak bahkan tidak perlu perubahan atau modifikasi pada tungku peleburannya. Faktor ketersediaan arang berkualitas tinggi, volume besar dan suplai yang kontinyu masih menjadi kendala utamanya.

Penggunaan arang untuk metalurgi atau pembuatan baja sebenarnya sudah pernah menjadi hal biasa pada beberapa waktu lalu. Pada era awal tahun 1900an produksi arang dunia mengalami masa kejayaannya dengan produksi lebih dari 500 ribu ton. Pada tahun 1940an produksi arang mengalami penurunan menjadi hampir ½ dari era awal 1900an yang diakibatkan material karbon lainnya yakni batubara yang menggantikan arang pada pembuatan logam-logam.  

Dengan kondisi saat ini berupa penggunaan batubara sebagai bahan bakar utama pada tungku peleburan atau di blast furnace, maka akan dihasilkan slag. Slag atau GGBFS (Grounded Granulated Blast Furnace Slag) dari pabrik baja tersebut digunakan untuk pabrik semen sebagai bahan aditif semen atau  SCM (supplementary cementious material) sehingga mengurangi porsi clinker pada produks semen. Pada pabrik semen sendiri semakin banyak penggunaan slag atau SCM maka semakin mengurangi penggunaan clinker sehingga juga mengurangi emisi CO2. Pada produksi semen bagian produksi clinker-nya berkontribusi paling besar pada emisi CO2 yang dihasilkan sehingga penggunaan slag atau SCM tersebut merupakan bagian dekarbonisasi pada pabrik semen. Diperkirakan sekitar 70% produksi baja dunia menggunakan blast furnace atau proses BF-BOF yang menghasilkan jumlah GGBFS cukup banyak, bahkan di China lebih dari 90% produksi baja menggunakan proses BF-BOF tersebut. Perlu dicatat bahwa dekarbonisasi sektor baja mengakibatkan peralihan dari blast furnace, yang akan berdampak pada ketersediaan GGBFS di seluruh dunia pada dekade mendatang. Namun, perubahan ini akan terjadi secara perlahan dan bertahap dan, sementara itu, terdapat sejumlah GGBFS yang akan tersedia untuk digunakan sebagai SCM guna mengurangi jejak karbon pada semen dan beton.

Untuk bisa produksi arang dalam jumlah besar tentu juga dibutuhkan bahan baku dalam jumlah besar. Bahan baku berupa biomasa khususnya kayu bisa diproduksi dari kebun energi. Kebun energi dari tanaman rotasi cepat trubusan akan cocok untuk memenuhi kebutuhan bahan baku tersebut karena selain masa panennya cepat juga memiliki produktivitas yang tinggi. Selain itu juga tidak perlu menanam ulang atau replanting untuk setiap kali panen dan mudah tumbuh serta mudah dalam pemeliharaannya. Untuk produksi baja per ton dibutuhkan energi rata-rata 6.000 MJ (setara 50 kg hidrogen) atau setara 200 kg arang dan memerlukan bahan baku biomasa kayu sekitar 600-800 kg. Selain bahan baku dari kayu kebun energi, bahan baku dari limbah-limbah pertanian maupun perkebunan juga bisa digunakan. 

Industri sawit masa depan bisa saja sebagai penghasil hidrogen dari biogasnya. Setiap ton baja akan membutuhkan 50 kg hidrogen, sedangkan setiap pabrik sawit dengan kapasitas 30 tbs/jam bisa menghasilkan listrik 1 MWh, sedangkan untuk produksi 1 kg hidrogen dibutuhkan 50 KWh, sehingga dengan kapasitas pabrik sawit tersebut bisa menghasilkan 20 kg hidrogen. Daerah dengan konsentrasi pabrik sawit yang tinggi seperti provinsi Riau bisa saja membuat jaringan pipa hidrogen tersebut untuk pabrik baja yang ramah lingkungan. 

Dengan harga lebih mahal untuk baja yang dihasilkan dengan energi terbarukan (green steel), membuat pangsa pasar juga terbatas. Saat ini hanya penggunaan tertentu seperti otomotif yang membeli baja premium atau green steel tersebut. Upaya dekarbonisasi pada pabrik baja juga bisa dilakukan bertahap, seiring perkembangan energi terbarukan. Dengan semakin banyaknya suplai energi terbarukan maka harganya akan semakin turun sehingga baja ramah lingkungan (green steel) juga semakin kompetitif harganya. Pabrik-pabrik baja baru bisa mendekati sumber-sumber energi terbarukan yang murah tersebut sehingga bisa produksi green steel menjadi kompetitif.

Green Economy Pada Industri Semen Bagian 6 : Subtitusi Clinker Pada Pabrik Semen

Subtitusi clinker dengan bahan aditif atau SCM (Supplementary Cementious Material) berperan besar pada upaya pengurangan emisi CO2 pada pabrik semen. Subtitusi clinker ini menempati peringkat kedua setelah penangkapan karbon atau CCS (Carbon Capture and Storage) dalam upaya pengurangan emisi CO2 atau dekarbonisasi di industri semen tersebut. Hal tersebut karena emisi CO2 terbesar pada pabrik  semen bukan pada pembakaran atau terkait bahan bakar tetapi pada proses kalsinasinya. Teknologi CCS masih mahal sehingga implementasinya masih banyak terkendala, tetapi subtitusi clinker lebih mudah dilakukan, sehingga banyak pabrik semen yang sudah melakukannya.

Pada industri semen semua penggunaan bahan bakar dan sekitar 60% penggunaan listrik digunakan untuk produksi clinker mulai dari menghaluskan bahan baku, persiapan bahan bakar dan kiln semen. Semakin tinggi rasio clinker terhadap semen (C/S) maka semakin tinggi juga penggunaan listrik dan bahan bakar untuk setiap ton semen yang diproduksi. Rasio clinker terhadap semen (C/S) bisa diperkecil apabila semakin sedikit clinker yang digunakan pada produksi semen atau semakin banyak bahan tambahan atau SCM yang ditambahkan ke dalam clinker tersebut. Hal itu juga berarti bahwa subtitusi clinker dengan SCM dapat mengurangi secara signifikan penggunaan energi (listrik dan bahan bakar) untuk setiap ton semen yang dihasilkan. 

China memiliki rasio clinker terhadap semen (C/S) terendah di dunia saat ini yakni 0,58 sedangkan sejumlah area di negara lain ada yang memiliki porsi rasio C/S tertinggi hingga 0,9. Hal tersebut juga bisa dipahami bahwa China menggunakan SCM dengan porsi tertinggi dibandingkan negara-negara di dunia.  SCM paling umum digunakan saat ini adalah fly ash, ground granulated blast-furnace slag  (GGBFS) dan batu kapur halus (ground limestone). Sedangkan SCM lain seperti pozzolan dan calcined clay berpotensi untuk digunakan pada masa mendatang. 

Fly ash berasal dari produk samping atau limbah dari PLTU batubara. Dekarbonisasi PLTU batubara juga terus dilakukan yakni dengan cofiring batubara dengan biomasa tetapi hal tersebut dilakukan secara bertahap sehingga produksi fly ash masih banyak sampai sementara waktu. Fly ash dari limbah PLTU batubara tersebut sangat bermanfaat pada produksi semen karena memperkecil rasio clinker terhadap semen (C/S) sehingga mengurangi kebutuhan energi untuk produksi semen atau dengan kata lain mengurangi jejak karbon pada produk semennya. Sedangkan GGBFS berasal dari limbah pabrik besi dan baja. Tidak semua pabrik besi dan baja menghasilkan limbah GGBFS ini, hal tersebut karena tergantung jenis tungku / furnace yang digunakan. Hanya pabrik yang menggunakan blas furnace – basic oxygen furnace (BF – BOF) saja yang bisa menghasilkan GGBFS, sedang yang menggunakan electric arc furnace (EAF) tidak. Sekitar 70% pabrik besi dan baja di dunia saat ini menggunakan proses BF – BOF sehingga menghasilkan cukup banyak GGBFS, bahkan di China lebih dari 90% menggunakan proses BF – BOF ini. Dekarbonisasi pada industri besi dan baja ditandai dengan beralihnya BF – BOF ke EAF yang berakibat pada ketersediaan GGBFS. Tetapi proses berjalan pelan dan bertahap, sehingga untuk sementara waktu jumlah GGBFS akan tersedia dan bisa mengurangi jejak karbon pada produksi semen. 

Penggunaan fly ash pada produksi semen biasanya dibatasi 25-35% untuk alasan performa teknis. Sedangkan GGBFS dapat digunakan pada porsi lebih besar dibandingkan fly ash ataupun SCM lainnya. Bahkan standard Eropa membolehkan penggunaan GGBFS hingga 95% tetapi prakteknya lebih rendah. SCM yang lain yang biasa digunakan adalah pozzolan dan calcined clay.   Pozzolan berasal dari pertambangan yakni dari deposit di alam. Pozzolan membutuhkan pengeringan dan penghancuran (grinding) sebelum digunakan pada produksi semen. Listrik yang digunakan untuk menghancurkan (grinding) pozzolan juga hampir sama dengan penghancuran clinker. Lempung kalsinasi (calcined clay) juga bisa digunakan untuk subtitusi clinker ini. Pada penggunaan awal lempung kasinasi (calcined clay) dengan porsi lebih tinggi menyebabkan penurunan kekuatan tekan (compressive strength) pada produk semen yang dihasilkan. Tetapi perkembangan selanjutnya dengan dengan kombinasi atau campuran lempung kalsinasi dengan bubuk batu kapur, berpotensi untuk subtitusi hingga 50% subtitusi clinker tanpa berpengaruh pada kualitas semen. Lempung kalsinasi diproduksi dari proses kalsinasi lempung yang membutuhkan energi, tetapi energi yand dibutuhkan tersebut jauh lebih sedikit dibandingkan energi untuk produksi clinker. Diprediksi pada tahun 2050 oleh IEA (International Energy Agency) / WBCSD (World Business Council for Sustainable Development) produksi semen dengan bahan kombinasi di atas mencapai lebih dari 25% di seluruh dunia.  

Penggunaan SCM ternyata tidak hanya sebagai subtitusi clinker pada produksi semen tetapi juga pada produksi beton / concrete. Penggunaan SCM pada produksi concrete ini juga tidak kalah dengan subtitusi clinker bahkan di Amerika Serikat SCM sebagian besar ditambahkan selama produksi concrete dan bukan pada produksi semen. Sebuah studi di Amerika Serikat melakukan estimasi bahwa hanya 5% SCM ditambahkan pada produksi semen dan sekitar 13% pada produksi concrete-nya. Tetapi pada dasarnya penambahan SCM baik pada produksi semen maupun pada produksi concrete telah mengurangi jejak karbon atau sesuai dengan dekarbonisasi. Hal yang menjadi masalah adalah kurangnya edukasi terhadap manfaat SCM khususnya pada produksi concrete menjadi penghalang peningkatan penggunaan SCM tersebut. Faktor lain seperti ketersediaan SCM, harga dan kaitannya dengan kualitas semen serta bangunan juga menjadi penghalang yang sama. Pembuatan standar-standar dan kode-kode baru terkait untuk peningkatan penggunaan semen blended dengan SCM dan produksi concrete perlu dikembangkan untuk mentransformasi pasar saat ini.  

Green Economy di Industri Semen Bagian 2

Sejumlah pabrik semen bisa berproduksi dengan baik cukup hanya dengan bahan baku batu kapur (limestone) dan lempung (clay). Hal tersebut karena dari material tersebut telah terpenuhi semua oksida yang dibutuhkan dalam pembuatan clinker-nya. Oksida-oksida yang dibutuhkan tersebut adalah CaO (C), SiO2 (S), Al2O3 (A) dan Fe2O3 (F). Batu kapur (lime stone) sendiri biasa memiliki kandungan CaO (C) sekitar 90% dan SiO2 (S) 5%. Tetapi fakta di lapangan banyak pabrik semen yang membutuhkan material tambahan untuk mencapai komposisi oksida yang diinginkan atau biasa disebut bahan korektif. Sejumlah bahan korektif tersebut adalah high grade limestone yang memiliki kandungan CaO diatas 95% sebagai koreksi oksida C, selanjutnya silica sand untuk koreksi oksida S, selanjutnya kaolin atau bauksit untuk koreksi oksida A dan iron ore atau pyrite untuk koreksi oksida F.

Jadi secara umum saat ini material yang dibutuhkan yang dibutuhkan untuk produksi clinker tersebut adalah limestone, clay, silica sand dan iron ore. Dalam perkembangannya iron ore bisa digantikan dengan slag. Kandungan Fe2O3 (F) slag lebih rendah dibandingkan iron ore tetapi harganya lebih murah. Slag yang digunakan terutama berasal dari industri besi dan baja yang biasa dikenal dengan GBFS atau GGBFS. Slag sebenarnya juga material aditif yang bisa ditambahkan dengan clinker dan gypsum sehingga menjadi produk (slag) semen. Selain slag material lain seperti fly ash juga biasa digunakan sebagai aditif tersebut, kedua bahan tersebut biasa disebut bahan suplemen semen atau SCM (supplementary cementious material). Ukuran fly ash yang sangat lembut tidak perlu dihancurkan lagi sehingga bisa langsung dicampurkan dengan clinker dan gypsum, sedangkan slag dari pabrik besi atau baja perlu dihancurkan atau dilembutkan lagi menjadi GGBFS sebelum dicampur dengan clinker dan gypsum. Untuk kebutuhan aditif tersebut selain aspek fisik seperti ukuran partikel, aspek kimia yakni slag chemistry dan fly ash chemistry adalah parameter penting yang perlu diperhatikan. 

Penggunaan SCM seperti slag dan fly ash di atas, akan mengurangi penggunaan terutama bahan bakar fosil. Hal ini karena SCM tersebut ditambahkan pada clinker dan gypsum sehingga tidak membutuhkan energi panas. Energi panas sendiri dibutuhkan pada pembuatan clinker yakni di calciner dan rotary kiln. Sebagai contoh pada pembuatan slag cement menghasilkan 38% lebih sedikit emisi CO2 dibandingkan proses untuk produksi portland cement karena lebih sedikit batu gamping (limestone) dibakar untuk produksi slag cement daripada dibutuhkan untuk Portland cement. Energy panas tersebut saat ini masih banyak menggunakan bahan bakar fossil dan secara bertahap mulai menggunakan energi terbarukan. Energi berasal dari biomasa seperti limbah pertanian dan kotoran hewan juga mulai digunakan. 

Green Economy di Industri Semen

Trend dekarbonisasi termasuk low carbon economy telah merambah ke berbagai sektor tidak terkecuali pada industri semen. Semen adalah produk paling umum di dunia yang dibuat manusia dengan konsumsi sekitar 0,5 ton per orang per tahunnya. Industri semen juga merupakan aktivitas penyumbang gas rumah kaca cukup besar yakni mencapai 21% (IPCC 2014), dengan kondisi tersebut membuatnya salah satu kontributor terbesar pada perubahan iklim. Dan karena industri semen memiliki sejarah sebagai kontributor utama untuk emisi gas rumah kaca tersebut, sehingga ada peluang hari ini untuk mengurangi emisi secara signifikan melalui peningkatan efisiensi dan inovasi di industri tersebut.

Peningkatan efisiensi energi pada produksi semen akan mengurangi emisi karbon yang dihasilkan.  Bahkan di industri semen, penggunaan energi juga secara perlahan energi terbarukan atau energi alternatif mulai digunakan termasuk penggunaan RDF dari sampah kota atau sampah rumah tangga, yang sedikit banyak mengurangi polusi lingkungan. Sedangkan pada aspek produksi penggunaan bahan tambahan yang berasal dari limbah industri lain (circular economy) seperti slag dan fly ash atau SCM (supplementary cementious materials) juga sudah banyak digunakan.  Penambahan bahan-bahan ini tergantung jenis semen yang akan dibuat dan bertujuan mengurangi pemakaian clinker karena produksi clinker memerlukan biaya yang tinggi dan menghasilkan gas CO2 hasil kalsinasi.  Sebagai contoh pada pembuatan slag cement menghasilkan 38% lebih sedikit emisi CO2 dibandingkan proses untuk produksi portland cement karena lebih sedikit batu gamping (limestone) dibakar untuk produksi slag cement daripada dibutuhkan untuk Portland cement. Selain itu sejumlah negara juga mendukung produksi dan penggunaan slag cement tersebut dalam rangka mendukung produk yang ramah lingkungan. Hal-hal di atas juga mengindikasikan kepedulian terhadap lingkungan dan keberlanjutan (sustainibility) semakin meningkat.

Pada industri semen sekitar 50% emisi berasal dari proses kalsinasi itu sendiri, 40% dari bahan bakar untuk memanaskan kiln, dan sisanya 10% dari menggiling (grinding) dan transport. Di dalam kalsiner terjadi proses kalsinasi yaitu peruraian CaCO3 menjadi CaO dan CO2 dan sedikit MgCO3 menjadi MgO dan CO2. Karena reaksi kalsinasi bersifat endotermis maka diperlukan panas yang cukup tinggi, sehingga dilengkapi dengan burner untuk pembakaran batubara memanfaatkan udara tersier dari cooler dan gas panas kiln. Pelepasan CO2 akibat reaksi di kalsiner ini menjadi isu lingkungan yang krusial di industri semen, volum gas CO2 hasil kalsinasi jauh lebih besar dari pada CO2 hasil pembakaran fuel (batubara) atau 50% berbanding 40%.  

Beragamnya jenis semen dengan kualitas yang berbeda-beda seringkali membutuhkan kualitas SCM yang spesifik juga. Dalam kondisi tersebut tinjauannya tidak hanya spesifikasi umum tetapi hingga ke kimia bahannya (material chemistry). Misalnya slag dari pabrik baja atau Granulated Blast Furnace Slag (GBFS) dengan kandungan kimia tertentu atau fly ash tetapi dengan kandungan  alkali rendah atau slag dari smelter nikel tidak cocok untuk jenis semen tertentu dan sebagainya. Untuk mendapatkan SCM spesifik seperti slag dan fly ash tersebut sangat terkait terkait dengan sumber slag dan fly ash tertentu, walaupun dalam sejumlah kasus bisa saja menambahkan bahan tertentu untuk mendapatkan komposisi kimia yang diinginkan. 

Dan pada industri semen emisi tidak mudah dikurangi dengan mudah. Emisi dari proses tidak bisa dikurangi dengan optimasi ataupun penggunaan energi terbarukan atau energi alternatif saja. Pada industri semen ketika mengikuti skenario-skenario yang dikembangkan oleh International Energy Agency (IEA) atau Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) jelas bahwa untuk mencapai batas kenaikan suhu bumi 2 C bahkan 1,5 C dibutuhkan CCS / CCU. Namun, lebih banyak diperlukan jika industri ingin memenuhi tujuan ambisius yang ditetapkan oleh Paris agreement tersebut.  Industri semen sangat ditantang oleh target tersebut karena karbon dihasilkan oleh energi yang digunakan dalam proses dan proses kalsinasi itu sendiri. Bahkan jika emisi berbasis energi dapat dihilangkan dengan beralih ke bahan bakar karbon-netral, emisi proses kalsinasi tersebut akan tetap ada dan akan membutuhkan unit penangkap karbon (CCS / CCU). 

Eropa telah menjadi pusat penelitian carbon capture dan storage (CCS) and carbon capture and utilization (CCU). Dari sejumlah teknologi penangkapan karbon (carbon capture) penyerapan berbasis amina (senyawa organik dan gugus fungsional yang isinya terdiri dari senyawa nitrogen atom dengan pasangan sendiri) adalah teknologi penangkapan karbon paling canggih dan sudah diimplementasikan di skala komersial. Teknologi carbon capture tampaknya memainkan peran penting dalam memerangi perubahan iklim khususnya pada industri semen.