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 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.

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. 

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.  

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.