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 Pada Industri Semen Bagian 5 : Meningkatkan Produksi dan Menurunkan Emisi

Meningkatkan kapasitas produksi tetapi sekaligus menurunkan emisi CO2 (karbondioksida, gas rumah kaca dominan) kedengarannya adalah suatu hal yang bertentangan / paradoksial. Hal tersebut memang secara sepintas seperti itu. Tetapi dengan program dekarbonisasi atau CO2 removal (CDR) upaya menurunkan emisi tersebut bisa dilakukan sekaligus meningkatkan produksi semennya. Seberapa besar target penurunan emisi dan kenaikan produksi semennya akan tergantung pada seberapa besar upaya dekarbonisasi yang dilakukan. Semakin besar penurunan emisi biasanya akan membutuhkan biaya yang tidak murah juga. Hal itulah sehingga upaya penurunan emisi sekaligus menaikkan produksi juga harus dilakukan secara bertahap dengan strategi tertentu. 

Pabrik semen adalah industri yang secara global berkontribusi pada peningkatan CO2 sebesar lebih dari 6% secara global. Tetapi ada keunikan pada pabrik semen ini yakni sebagian besar emisi CO2 yang dihasilkan bukan berasal dari penggunaan bahan bakar, tetapi dari proses kalsinasi. Prosentase CO2 yang dihasilkan dari proses kalsinasi mencapai sekitar 60% sedangkan dari penggunaan bahan bakar hanya sekitar 40% nya. Bahan bakar fosil yang biasa digunakan pada pabrik semen adalah batubara dan petcoke, yang mana keduanya merupakan dua bahan bakar fosil yang paling banyak mencemari udara. Bahkan di sejumlah daerah pabrik semen adalah pengguna batubara terbesar. Pabrik semen yang berdekatan dengan kilang-kilang minyak akan lebih banyak menggunakan petcoke tersebut.

Program dekarbonisasi atau upaya menurunkan emisi CO2 yang bisa dilakukan pada pabrik semen yakni peningkatan efisiensi energi, penggunaan bahan subtitusi clinker, penggunaan energi alternatif / energi terbarukan, dan penggunaan CCUS (Carbon Capture Utilization and Storage). Dengan karakteristik tersebut sehingga dekarbonisasi total pada industri semen tidak bisa dilakukan dengan penggunaan teknologi efisiensi terbaik saja ataupun dengan penggantian bahan bakarnya saja. Sedangkan penggunaan bahan substitusi clinker dan CCUS sangat penting di antara teknologi-teknologi lainnya untuk mencapai emisi mendekati nol pada produksi semen. 

Skenario terbaik untuk meningkatkan produksi dan menurunkan emisi bisa dilakukan dengan penggunaan peningkatan efisiensi energi yang jauh lebih tinggi dengan menggunakan teknologi yang tersedia secara komersial,  penggunaan bahan bakar yang lebih agresif ke bahan bakar yang rendah karbon atau bahkan karbon netral, penggunaan dosis bahan subtitusi clinker lebih tinggi, serta mengadopsi penggunaan teknologi-teknologi CCUS yang tersedia secara komersial dengan porsi lebih tinggi.

Dan perlu dicatat bahwa semua disarankan peningkatan dalam skenario terbaik ini dapat dicapai dengan mengimplementasikan teknologi yang sudah tersedia secara komersial dan sebagian besar juga mesti hemat biaya. Sedangkan untuk CCUS, sementara teknologi tersedia secara komersial, tetapi implementasi membutuhkan investasi besar yang menuntut insentif keuangan atau harga karbon lebih tinggi. Tetapi di sisi lain CCUS memiliki kontribusi terbesar terhadap penurunan CO2, diikuti oleh penggunaan bahan subtitusi clinker dan  peralihan bahan bakar ke bahan bakar rendah karbon atau bahkan karbon netral. Dan penggunaan teknologi peningkatan efisiensi memiliki kontribusi terkecil pada penurunan emisi CO2. Hal ini terutama karena emisi terkait proses dari kalsinasi terhitung sekitar 60% dari total emisi CO2 dan hal tersebut tidak terkait dengan penggunaan energi.  

 

Green Economy di Industri Semen Bagian 3

Fly ash adalah hasil samping atau limbah pembangkit listrik batubara. Seperti halnya slag, fly ash juga merupakan bahan aditif atau suplemen (SCM /supplementary cementious material) pada produksi semen. Bedanya fly ash sangat lembut sehingga tidak perlu dihaluskan lagi dan bisa langsung dicampurkan dengan clinker dan gypsum. Setiap ton penggunaan fly ash tersebut mencegah sekitar 1 ton karbondioksida (CO2) keluar ke atmosfer. Hal ini sejalan dengan green economy atau dekarbonisasi sebagai upaya solusi iklim pada industri tersebut. 

Unloading fly ash

Sama halnya slag, kandungan kimia fly ash juga turut berpengaruh pada kualitas semen yang dihasilkan, sebagai contoh kawasan atau negara tertentu memiliki persyaratan kandungan alumina grade 120 pada slag tersebut. Semen dengan kualitas tertentu bisa dirancang dengan penggunaan bahan-bahan aditif tersebut. Pada era saat ini selain faktor teknis seperti kekuatan mekanis atau daya rekat semen, microstructure, durabilitas dan sebagainya,  dan faktor ekonomi, faktor produk yang ramah lingkungan juga menjadi perhatian atau citra positif tersendiri. Circular economy berupa pemanfaatan limbah dari industri lain menjadi bahan baku industri ini, juga terjadi pada industri semen. Dan pada dasarnya industri semen selain bisa untuk mengolah limbah juga sebagai pemusnah limbah.

Produksi Briket / Pellet Kotoran Sapi Sebagai Bahan Bakar dan Bioekonomi

Penggunaan energi terbarukan semakin meningkat seiring kesadaran global masalah lingkungan dan iklim. Bahan-bahan yang dulu dianggap limbah dan mencemari lingkungan, saat ini dengan konsep zero waste dan circular economy telah banyak diubah menjadi energi alternatif atau energi terbarukan. Industri-industri besar seperti pembangkit listrik, industri semen dan sebagainya telah mulai menggunakan energi terbarukan tersebut dalam rangka program penurunan emisi CO2 atau dekarbonisasi. Program dekarbonisasi ini semakin populer dan diaplikasikan pada berbagai lini kehidupan.

Sebagai contoh riil adalah industri semen di UAE yakni Gulf Cement Co, yang menggunakan energi terbarukan dari kotoran unta. Dari hasil ujicoba operasional didapat bahwa setiap 2 ton kotoran unta bisa menggantikan 1 ton batubara. Penggunaan kotoran hewan sebagai bahan bakar sebenarnya bukan hal yang baru bagi mereka, dari cerita nenek moyang kotoran sapi telah digunakan sebagai pemanas atau bahan bakar, tetapi untuk kotoran unta banyak yang belum terpikirkan. Gulf Cement Co saat ini menggunakan 50 ton/hari kotoran unta sebagai bahan bakar. UAE memiliki populasi unta sekitar 9000 ekor untuk produksi susu, balap dan kontes kecantikan. Setiap unta menghasilkan kotoran 8 kg/hari, lebih banyak atau berlebih daripada yang dibutuhkan petani. Melalui program pemerintah para peternak unta mengumpulkan kotoran-kotoran unta tersebut di tempat-tempat pengumpulan. 

Kotoran sapi juga telah digunakan sebagai sumber energi dari Amerika Serikat, Zimbabwe sampai ke China. Di Indonesia hal tersebut juga seharusnya bisa dilakukan. Dengan setiap ekor sapi menghasilkan kotoran rata-rata 15 kg per hari (hampir 2 kalinya unta), maka hal itu sama seperti kondisi di UAE di atas, volume kotorannya lebih banyak atau berlebih daripada yang dibutuhkan petani. Berlebihnya kotoran tersebut menjadi masalah lingkungan bahkan harus dibuang ke sungai dan sebagainya. Ratusan ton setiap hari kotoran sapi tersebut yang belum termanfaatkan di sejumlah daerah di Indonesia, padahal kotoran tersebut bisa dimanfaatkan sebagai bahan bakar terutama diolah menjadi briket atau pellet (terlebih dahulu dikeringkan). Pemadatan kotoran sapi menjadi briket atau pellet tersebut selain bertujuan untuk mendapatkan ukuran dan bentuk yang seragam, padat, memudahkan penyimpanan dan pemakaian, juga menghemat biaya transportasi. Dan untuk memenuhi kebutuhan bahan pabrik semen dibutuhkan seperti briket / pellet kotoran sapi dalam jumlah besar, sehingga dibutuhkan alat produksi kapasitas besar yang bekerja kotinyu. Diperkirakan kebutuhan pellet atau briket tersebut ribuan hingga puluhan ribu ton setiap bulannya.

Di pabrik semen ada 2 tempat yg membutuhkan energi panas : 1. calciner (tempat terjadi proses kalsinasi), 2. Rotary kiln (jantungnya pabrik semen, tempat pembuatan clinker). Energi terbarukan seperti briket atau pellet kotoran sapi, biasanya akan digunakan pada calciner dengan feeding point tersendiri. Sedangkan pada rotary kiln yang membutuhkan panas lebih tinggi saat ini umumnya pabrik semen masih menggunakan bahan bakar fossil. Penggunaan secara bertahap energi terbarukan akan mengurangi pencemaran lingkungan dan mengakselerasi program global dekarbonisasi. Pabrik semen sendiri bisa dikatakan sebagai industri yang mengolah dan memusnahkan limbah. Hal tersebut karena pabrik semen bisa mengolah limbah seperti slag dan fly ash sebagai bahan additif semen yang diproduksi - lebih detail bisa dibaca disini dan juga memusnahkan limbah yakni seperti penggunaan limbah kotoran sapi sebagai bahan bakar tersebut.