PKS Untuk Pembangkit Listrik di Eropa

Eropa dengan program bioekonominya yakni dalam RED (Renewable Energy Directive) telah mentargetkan penggunaan energi terbarukan mencapai minimal 20% pada 2020 dengan konsumsi biomasa mencapai 70% dari keseluruhan energi terbarukan dan pada 2030 menjadi minimal 27%. Untuk energi biomasa, Eropa juga merupakan produsen wood pellet terbesar yakni saat ini diperkirakan 13,5 juta ton/tahun sementara konsumsinya 18,8 juta ton/tahun. Negara-negara produsen wood pellet terbesar di Eropa yakni Jerman dan Swedia. Walaupun dengan produksi wood pellet 13,5 juta ton/tahun ternyata belum mampu memenuhi kebutuhan internal kawasan tersebut, sehingga masih membutuhkan supply dari luar. Amerika dan Kanada adalah pemasok utama kebutuhan wood pellet untuk negara tersebut. Sebagian besar penggunaan wood pellet tersebut untuk pembangkit listrik. Selain wood pellet, PKS juga telah diimport dari Indonesia. Sering besarnya target yang hendak dicapai, maka kebutuhan bahan bakar biomasa tersebut diprediksi akan semakin meningkat.

Walaupun sebagian besar pembangkit listrik saat ini menggunakan teknologi pulverized coal boiler yang mencapai sekitar 50% pembangkit listrik dunia, tetapi penggunaan teknologi grate combustor boiler dan fluidized bed boiler juga semakin meningkat. Pulverized coal boiler terutama digunakan untuk pembangkit kapasitas sangat besar (>100 MW) , sedangkan untuk kapasitas menengah biasa menggunakan teknologi fluidized bed (antara 20-100 MW) dan untuk kapasitas lebih kecil dengan grate combustor (<20 MW). Kelebihan untuk teknologi fluidized bed dan grate combustor boiler adalah flexibilitas bahan bakar termasuk toleransi terhadap ukuran partikelnya. Berbagai limbah pertanian, sampah kota, ban bekas dan sebagainya bisa digunakan sebagai bahan bakarnya. Ketika pada pulverized coal boiler mensyaratkan ukuran partikel kecil (1-2 cm) seperti serbuk gergaji (sawdust) sehingga bisa diatomisasi pada nozzle pulverizer, maka untuk grate combustor dan fluidized bed ukuran partikel sebesar kerikil (maks. 8 cm) bisa diterima. Berdasarkan kondisi tersebut limbah pertanian yakni PKS memiliki peluang besar sebagai bahan bakar boiler-boiler tersebut. 

Pembangkit Listrik Dengan teknologi Fluidized di Jepang 49 MW dengan bahan bakar PKS
dan beroperasi sejak 2015

Untuk bisa sebagai bahan bakar pada grate combustor boiler dan fluidized bed boiler bisa langsung digunakan, tanpa pretreatment tambahan. Lebih spesifik untuk fluidized bed boiler yakni circulating fluized bed (CFB) boiler yang lebih cocok untuk PKS dibandingkan dengan bubbling fluidized bed (BFB) boiler, untuk lebih detail bisa dibaca disini. Lalu apakah PKS tidak cocok untuk pulverized coal boiler? Ada beberapa hal perlu diperhatikan untuk penggunaan PKS pada pulverized coal boiler. Hal pertama yang bisa dilakukan adalah mengecilkan ukuran partikel PKS hingga maksimal 2 cm sehingga bisa diatomisasi dalam pulverized system. Hal kedua yang perlu diperhatikan adalah prosentase PKS dalam batubara, atau istilahnya cofiring. Berbeda dengan grate  dan fluidized bed combustor yang bisa fleksibel dengan berbagai jenis bahan bakar, pada pulverized hampir semua hanya menggunakan batubara saja. Tentu juga bisa untuk pulverized tersebut diganti dengan biomasa khususnya PKS tetapi ada hal spesifik yang membedakan bahan bakar biomasa dan batubara yakni kadar abu dan kimia abu. Kedua hal tersebut sangat berpengaruh terhadap karakteristik pembakaran dalam pulverized system. 

Kandungan abu batubara umumnya lebih besar daripada biomasa, selain itu kimia abu batubara sangat berbeda dengan kimia abu biomasa. Biomasa memiliki kandungan anorganik lebih kecil daripada batubara, tetapi kandungan alkali dalam biomasa bisa mengubah sifat-sifat abu batubara khususnya abu aluminosilikatnya. Praktisnya yakni jika ingin mengubah pulverized system dari batubara ke biomasa khususnya PKS maka perlu modifikasi pembangkit listrik tersebut dan ini juga tidak murah, tetapi jika ingin tanpa modifikasi atau hanya sedikit saja modifikasi pembangkit listrik diperlukan yakni dengan cara cofiring tersebut. Cofiring biomasa dengan batubara dengan porsi kecil misalnya 3-5% tidak perlu memodifikasi pembangkit listrik pulverized tersebut. Sebagai contoh Shinci di Jepang dengan kapasitas 2 x 1.000 MW supercritical pulverized fuel dengan cofiring 3% membutuhkan 16.000 ton/tahun biomasa dan tidak ada modifikasi, demikian pula dengan Korea Shoutheast Power (KOSEP) 5.000 MW dengan cofiring 5% membutuhkan biomasa 600.000 ton/tahun dan juga tanpa modifikasi. Mengapa cofiring pada pulverized system banyak dibahas? Selain pembangkit tipe ini jumlahnya paling banyak dengan kapasitas produksi listrik sangat besar sehingga menjadi sarana efektif untuk menurunkan kadar CO2 di atmosfer yang otomatis juga mengurangi penggunaan batubara, juga penggunaan biomasa dalam cofiring punya efek pada operasional pembangkit dan harga produk listrik yang dihasilkan. 

Studstrup power station Denmark 700 MW melakukan cofiring hingga 20% dengan jerami (straw)

Teknologi grate combustor, fluidized bed dan pulverized pada dasarnya adalah teknologi pembakaran. Teknologi pembakaran adalah satu diantara 3 proses thermal biomasa yang banyak diaplikasikan, dengan dua lainnya yakni gasifikasi dan pyrolysis. Gasifikasi demikian juga pyrolysis juga bisa digunakan untuk produksi listrik, tetapi penggunaannya tidak sebanyak teknologi pembakaran dan kapasitas produksi listriknya pada umumnya juga kecil. Hampir sama dengan grate combustor dan fluidized bed, bahan bakar untuk gasifikasi dan pyrolysis juga fleksibel, termasuk batubara dan PKS. Pada teknologi gasifikasi terutama untuk memaksimalkan produk gas (syngas) sedangkan pada pyrolysis untuk memaksimalkan produk padatnya. PKS bisa di pirolisis untuk menghasilkan arang sedangkan batubara akan menghasilkan kokas apabila dipirolisis. Arang dari PKS bisa digunakan untuk bahan bakar, produksi briket serta arang aktif sedangkan kokas untuk peleburan baja. Syngas merupakan produk samping pyrolysis yang bisa digunakan untuk produksi listrik sedangkan pada gasifikasi, syngas merupakan produk utama yang juga bisa digunakan untuk produksi listrik. 

Mengapa menggunakan PKS untuk bahan bakar pembangkit tersebut? Hal ini karena PKS memiliki karakteristik hampir sama dengan wood pellet, banyak tersedia dan harganya murah. Indonesia dan Malaysia adalah dua produsen utama PKS. PKS dihasilkan dari pengolahan kelapa sawit. Dengan luas perkebunan kelapa sawit Indonesia mencapai  12 juta hektar di Indonesia dan 5 juta hektar di Malaysia, maka jumlah PKS yang dihasilkan dari kedua negara mencapai 15 juta ton/tahun. Jumlah PKS tersebut kedua negara tersebut melebihi produksi wood pellet dari Amerika Serikat dan Kanada, atau 2 produsen penghasil wood pellet terbesar saat ini. Dan tentu saja Amerika Serikat dan Kanada tidak bisa menghasilkan PKS, karena tidak memiliki perkebunan kelapa sawit, tetapi Indonesia dan Malaysia bisa memproduksi wood pellet karena memiliki hutan yang luas. Produksi wood pellet Indonesia dan Malaysia masih kecil, yakni kurang dari 1 juta ton/tahunnya, tetapi produksi PKS-nya cukup besar yang bisa sebagai penggerak awal bioeconomy dan menyuplai biomasa ke Eropa. 

Menyelami Pasar Cofiring

Cofiring menjadi pintu masuk yang mudah untuk subtitusi batubara ke wood pellet pada pembangkit listrik pulverized system.Proses cofiring tersebut juga bisa dimulai dari prosentase kecil hingga besar, bahkan bisa mengubahnya menjadi 100% menggunakan wood pellet nantinya. Semua pellet baik jenis wood pellet maupun agro-waste pellet bisa digunakan pada cofiring ini. Agro-waste pellet bisa digunakan dalam porsi lebih kecil daripada wood pellet, karena kandungan abu lebih tinggi daripada wood pellet. Selain itu kandungan abu agro-waste pellet atau pellet yang dibuat dari limbah-limbah pertanian juga tinggi kandungan kalium dan silika yang mempunyai titik leleh rendah. Di samping itu beberapa limbah pertanian juga mengandung klorin yang cukup tinggi sehingga korosif bagi pipa-pipa boiler.

Pulverised combustion pada pembangkit listrik

Pembangkit listrik  Korea Southeast Power Co (KOSEP) Yeongheung power station 5.000 MW dengan melakukan cofiring 6% dengan wood pellet tidak membutuhkan modifikasi sama sekali  dan membutuhkan sekitar 10 juta ton batubara dengan 600.000 ton/tahun wood pellet. Pada rasio cofiring 3-10% pada terbukti sukses di berbagai pembangkit listrik listrik  seluruh dunia dan juga belum dibutuhkan modifikasi pembangkit listrik. Sedangkan cofiring dengan agro-waste yakni jerami (straw) telah dilakukan pembangkit Studstrup di Denmark yakni mencapai rasio 10% juga dengan tanpa adanya modifikasi. Rasio tertinggi untuk agro-waste atau limbah pertanian tersebut yakni 20% masih bisa berjalan baik tanpa modifikasi pembangkit listriknya. Tingkat korosi pada cofiring 10% jerami menyamai penggunaan rutin batubara, sedangkan pada cofiring 20% jerami kecepatan korosi lebih tinggi. Bahkan setelah beroperasi 2 tahun cofiring 10% jerami memberikan kinerja yang baik dan bisa diterima dalam operasi harian pembangkit tersebut. Jerami (straw) adalah limbah pertanian yang sangat banyak terdapat di Denmark dan juga sebagai bahan bakar biomasa utama. Konversi hingga 100% (full firing) wood pellet juga telah dilakukan sejumlah pembangkit dan hanya dengan modifikasi minor pada pembangkitnya, yakni Ontario Power Generation (OPG) Atikokan 240 MW.

Shinchi Power Station Jepang 2 x 1000 MW dengan cofiring 3% membutuhkan wood pellet 130.000 ton/tahun 

Drax Power Station Inggris menjalankan 2x650 MW dengan 100% wood pellet membutuhkan sekitar 6,3 juta ton/tahun

Studstrup power station Denmark 700 MW melakukan cofiring hingga 20% dengan jerami (straw)

Saat ini terjadi kecenderungan untuk pembangkit-pembangkit listrik besar batubara dengan pulverized system untuk mulai melakukan cofiring dengan berbagai prosentasenya dan berbagai jenis pellet fuel. Selain itu sejumlah pembangkit listrik yang menggunakan 100% wood pellet juga banyak dibangun, seperti di Jepang. Daya dorong tersebut karena negara atau pemerintah yang bersangkutan memang juga memiliki kebijakan ke arah tersebut. Ada sejumlah negara yang memiliki hutan luas sehingga wood pellet bisa mudah diproduksi misalnya Amerika Serikat dan Kanada, sebaliknya ada yang kawasan hutannya terbatas tetapi melimpah limbah pertaniannya, misalnya China dan Denmark. Diprediksi konsumsi wood pellet dunia pada tahun 2024 mencapai 50 juta ton (minus China), dengan Korea Selatan dan Jepang saja mencapai 20 juta ton pada 2020. Sebuah proyeksi untuk penggunaan cofiring di China apabila 16% saja dari pembangkit listrik disana melakukan cofiring dengan rasio 5%, maka kebutuhan wood pellet untuk negara itu saja mencapai hampir 40 juta ton. Walaupun dengan limbah pertanian yang sangat banayak tetapi dengan luas hutan yang terbatas China akan mengimport untuk kebutuhan wood pelletnya sesuai proyeksi tersebut.

Berdasarkan pasar wood pellet untuk cofiring yang terus meningkat tentu menjadi peluang besar bagi Indonesia yang beriklim tropis, dengan tanah yang luas, dan subur untuk menjadi pemain utama wood pellet untuk ramai-ramai memasok pasar cofiring tersebut. Tentu ini adalah peluang usaha yang menarik dan seharusnya kita tidak hanya menjadi penonton saja di era bioeconomy atau biomasa ini. Dengan iklim tropis maka kebun energi di Indonesia hanya membutuhkan 1 tahun untuk menghasilkan biomasa kayu setara 4 tahun kebun energi di Eropa. Penggunaan kayu-kayu dari pepohonan (syajara) untuk sumber energi juga sesuai petunjuk Al Qur'an untuk lebih detail bisa dibaca disini. Tanah-tanah luas tersebut kembali hijau tambah subur dan menghasilkan kayu-kayu untuk wood pellet, serta dengan penggembalaan domba sebagai harta terbaik dan produksi daging yang terutama untuk meningkatkan konsumsi daging kita yang baru 1/4 rata-rata dunia atau 10 kg/tahun/kapita . Tahap produksi wood pellet dari kebun energi bisa dibaca disini. Sekali dayung 2-3 pulau terlampaui, menjadi produsen wood pellet, produsen daging sekaligus menyuburkan tanahnya. Terakhir sesama muslim harus bersyirkah untuk mewujudkan atau menangkap peluang tersebut hal tersebut. 

Membuat Biomass Pellet Fuel yang Boiler Friendly

Wood pellet dan Agro-waste Pellet

Biomass pellet fuel, baik yang berasal dari limbah pertanian (agro-waste) dan biomasa berkayu harus memenuhi spesifikasi teknis pada alat-alat atau teknologi penggunanya. Nilai kalor, kadar abu dan kimia abu  adalah beberapa parameter kunci pada kualitas bahan bakar biomass pellet tersebut. Limbah-limbah pertanian pada umumnya memiliki nilai kalor lebih rendah dan kadar abu lebih tinggi, sedangkan dari biomasa kayu-kayuan pada umumnya memiliki nilai kalor yang lebih tinggi dengan kadar abu lebih rendah. Nilai kalor dan kadar abu adalah dua hal saling berkait, semakin tinggi nilai kalor berarti semakin rendah kadar abu dan sebaliknya. Kimia abu dalam beberapa hal menjadi masalah untuk penggunanya. Kimia abu seperti Na (sodium/natrium), K (potassium/kalium), S (sulphur/belerang) dan Cl (chlorine) serta dalam beberapa kasus Si (silika) adalah beberapa kimia abu yang dipermasalahkan itu. Setiap biomasa baik limbah pertanian dan biomasa kayu-kayuan memiliki unsur-unsur kimia abu tersebut dalam level yang berbeda-beda.

Pipa-pipa boiler khususnya pada pembangkit listrik dengan pembakaran suhu tinggi (lebih dari 1.000 C) sangat peka terhadap kimia-kimia abu tersebut. Konsekuensinya bahan bakar biomasa pellet yang tidak memenuhi nilai kalor, kadar abu dan kimia abu yang dipersyaratkan maka akan ditolak sebagai bahan bakar boiler tersebut. Persyaratan bahan bakar pellet biomasa untuk pembangkit listrik adalah yang paling ketat dibandingkan yang lainnya, hal ini terutama karena operasional suhu tinggi dan kebutuhannya yang besar. Pada operasional suhu tinggi tersebut sejumlah unsur-unsur kimia abu akan meleleh, menjadi kerak dan bersifat korosif. Transfer panas dan keamanan proses tersebut akan terganggu. Hal ini sangat merugikan bagi pembangkit listrik yang bersangkutan. Sedangkan pada operasional boiler-boiler untuk industri baik skala kecil dan menengah maka suhu operasinya (berkisar 700 C) tidak setinggi pembangkit listrik, sehingga juga persyaratannya akan lebih longgar. Demikian juga untuk kebutuhan rumah tangga terutama pada pemanas ruangan pada musim dingin.       

Leaching adalah jenis proses yang digunakan untuk menghilangkan berbagai kandungan kimia abu yang tidak dikehendaki tersebut. Leaching pada biomasa untuk mendapat karakter kualitas bahan bakar yang dikehendaki juga telah banyak digunakan oleh sejumlah industri. Proses leaching dilakukan pada tahap awal proses produksi pellet biomasa tersebut. Jenis pelarut, waktu proses ataupun berbagai treatment lain akan bervariasi tergantung dari jenis biomasanya dan level target unsur kimia yang dikehendaki.

Photo diambil dari sini 

Kebun energi saat ini juga sudah banyak dikembangkan oleh berbagai pihak untuk mendapatkan suplai pasokan bahan baku yang stabil dalam jangka panjang. Kebun energi tersebut terdiri dari tanaman atau pohon rotasicepat (SRC) sehingga bisa kurang dari 1 tahun sudah bisa dipanen biomasa kayu-kayunya dan bisa trubus atau tumbuh lagi tanpa replanting hingga bertahun-tahun. Kaliandra adalah salah satu tanaman atau pohon rotasi cepat tersebut yang cocok untuk produksi wood pellet. Kaliandra yanng ditanam di Indonesia dengan iklim tropis memiliki banyak kelebihan antara lain karena kecepatan produktivitas kayunya. Tetapi pada umumnya tanaman rotasi cepat seperti willow, poplar dan sebagainya, begitu juga kaliandra memiliki beberapa kandungan kimia yang harus dikurangi atau dihilangkan untuk mendapatkan kualitas bahan bakar pellet yang bisa diterima khususnya pembangkit listrik. Penghilangan kimia tertentu dari biomasa tersebut dilakukan dengan cara proses leaching seperti penjelasan diatas. Pada akhirnya bahan bakar biomasa pellet ataupun wood pellet yang biomass powerplant boiler friendly bisa diproduksi.        

Global pellet market to reach $9 billion by 2020

The global market for pellets is expected to double in the next seven years, growing from a $4 billion market to $9 billion, Michele Rebiere with Viridis Energy Inc. told attendees at the Pellet Supply Chain Summit, March 24. The summit preceded the International Biomass Conference being held March 24-27 in Orlando, Fla.

Speaking in the closing panel of the day, Rebiere said the largest market, by far, is the European, with 20 million metrics tons (mmt) used in 2013 for both industrial power and residential heat. That is forecast to grow to 28 mmt by 2015 and 42 mmt by 2020. The North American market, is now at 4 mmt and forecast to be 5 mmt in 2015, but she added, are understated going out further. “I think the forecast in North American will increase substantially,” she said added, as the interest in cofiring with coal is likely to increase which the forecasts won’t include until projects are announced. The Asian market is expect to grow as well, from 1 mmt in 2013, to 3 mmt in 2015 and potentially 7 mmt by 2020. While the power market is the largest market contributor, the heating market is growing rapidly. Italy, in particular, garnered attention with the doubling of its demand in one year.

Seth Ginther, executive director of the U.S. Industrial Pellet Association, was a bit more conservative on his growth projections, pointing out that 2020 estimates range between 25 mmt and 70 mmt. “I think that 2013 was the year we’re beginning to see where the market is going to shake out. It’s going to be more like the 25 mmt level, but that still is going to be significant.”

In his discussion on the changes in the United Kingdom’s incentives, Ginther said it is important to note that the incentives for biomass conversions are aimed at helping  develop infrastructure. And, as the carrot is phased out, the stick – the price of carbon – is being increased, making it very expensive to burn coal. As a result, UK power producers are expected to continue to move towards biomass.

As a large UK buyer of North American pellets, Richard Peberdy, vice president of sustainability for Drax Biomass International, outlined his company’s commitment to biomass power and its interest in sustainability. The UK power producer has experimented with a number of biomass sources to supplement coal since 2008, making a commitment to pellets to provide a large portion of its biomass needs. It has two pellet facilities under construction in Mississippi and Louisiana and is building a port facility in Baton Rouge, La.
The first of three boiler conversions has been completed at Drax, with the second to be brought into service later this year and the third planned for 2015. Peberdy reported that Drax was pleased with the performance of its first biomass boiler conversion at the end of the first year of operations. “It’s outperformed our expectations in the first year at 39 to 40 percent efficiency on 100 percent biomass.” That is significant, he added, because UK sustainability reports projected biomass power would only reach 25 percent efficiencies, much lower than coal power’s average 35 percent efficiency.

Peberdy described Drax’s commitment to sustainability, pointing out that the company established its own sustainability goals even prior to the development of UK standards. The pressure for sustainability brings benefits, he said, by increasing investments in forests, in outreach to forest owners and in safer and better systems for making, handling and moving pellets.

Ben Conte, renewable energy sales manager for Bridgewell Renewables, filled out the panel at the summit on market energies by describing the work his company has done in marketing pellets in the EU. Much of the Bridgewell’s focus has been on meeting the high quality heating market, working to help its customers with their branding efforts. While Bridgewell is developing a brand to be able to meet spot markets, much of the work it’s done has been in seasonal 3-6 month contracts as well as long term contracts for one or two years. “The market is evolving,” he said. “The industrial and residential markets are linked in Europe and Asia,” he added, and are getting more sophisticated.

Other panels during the day included industry speakers addressing forestry ownership implications, sustainable forest management, pellet mill design considerations and infrastructure.

By Sue Retka Schill | March 24, 2014
Source : http://biomassmagazine.com/articles/10194/global-pellet-market-to-reach-9-billion-by-2020 

Optimasi Cofiring Biomasa-Batubara di PLTU Batubara

Cofiring biomasa-batubara telah umum dilakukan oleh sejumlah PLTU batubara di Eropa dan Amerika dengan motivasi utama untuk mengurangi dampak lingkungan akibat emisinya. Saat ini prosentase cofiring biomasa dengan batubara masih kecil rata-rata dibawah 10%. Hal ini bisa juga terjadi akibat pasokan wood pellet yang terbatas. Tetapi ditinjau dari operasional cofiring biomasa-batubara akan mengurangi  fly ash secara signifikan.  Di lain sisi apabila prosentase cofiring biomasa-batubara ini akan menyebabkan deposit pada pipa-pipa boiler sehingga akan menganggu proses transfer panas dalam tungku tersebut menyebabkan borosnya bahan bakar dengan terindikasi salah satunya dengan suhu flue gas yang tinggi.

Ada tiga teknik yang sering digunakan pada cofiring biomasa-batubara     :

1.       Mencampur biomasa dan batubara pada fuel handling system (kemudian diumpankan ke boiler).

2.       Menyiapkan biomasa secara terpisah dengan batubara, kemudian menginjeksikan ke boiler.

3.      Gasifikasi biomasa sehingga menghasilkan gas yang kemudian dibakar di boiler secara langsung atau menggunakan integrated gasification combined cycle (IGCC) system.

 Seluruh dunia dilaporkan lebih dari 200 PLTU batubara yang telah melakukan ujicoba dengan biomasa (IEA 2010).

 

Beberapa cofiring options yang tersedia pada PLTU batubara, antara lain :

-Cofire dengan prosentase biomasa rendah, dengan sedikit modifikasi peralatan.

-Cofire dengan prosentase biomasa tinggi, dengan meng-upgrade peralatan.

-Convert/repower individual coal burners to be fired with biomass

-Convert/repower entire coal plants to be fired with biomass

-Cofire with torrefied wood

Kadar abu pada batubara dan biomasa umumnya terpaut cukup besar dan apalagi kimia abunya juga banyak berbeda. Faktor inilah yang menyebabkan terjadi banyak sedikitnya deposit di pipa-pipa boiler. Prosentase cofiring biomasa-batubara sampai dengan 10% umumnya masih bisa diterima. Prosentase optimal yang menyebabkan deposit pipa boiler minimal dan pengurangan fly ash secara signifikan bisa dicari berdasarkan variable karakteristik batubara dan biomasa yang digunakan.