Produksi DRI / Sponge Iron Berbasis Biochar

Pada industri baja kondisi carbon neutral production akan dicapai ketika produksi besi dan baja pada industri tersebut 100% menggunakan energi terbarukan. Penggunaan tungku listrik (EAF/Electric Arc Furnace) bisa dilakukan sepanjang listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Tetapi penggunaan EAF yang masih menggunakan listrik dari bahan bakar fosil bisa sebagai media transisi sebelum 100% carbon neutral production karena emisi CO2 yang lebih kecil dibanding blast furnace dari kokas yang berasal dari batubara. Bahan baku yang diolah dengan EAF adalah steel scrap dan besi tereduksi langsung (DRI / sponge iron). Steel scrap atau DRI (sponge iron) langsung dimasukkan ke dalam tungku busur listrik (EAF) untuk pembuatan baja, sehingga menghasilkan emisi karbon yang lebih rendah dibandingkan dengan metode blast-furnace. Emisi CO2 dari blast furnace tersebut sekitar 2,33 ton untuk setiap crude iron / pig iron sedangkan dengan EAF tersebut hanya sekitar 0,66 ton untuk setiap ton crude steel. 

 

Saat ini sekitar 80% steel scrap saat ini didaur ulang dengan EAF. Secara global produksi baja dengan EAF mencapai sekitar 22% (berbahan baku scrap dan sponge iron). India sebagai produsen terbesar sponge iron atau DRI. Produsen utama lainnya termasuk Iran, Rusia, Meksiko, dan Arab Saudi. Pada tahun 2023, India memproduksi 49,3 juta ton, sementara Iran memproduksi 33,4 juta ton. Produksi sponge iron atau DRI global mencapai 135,5 juta ton pada tahun 2023, sedangkan pig iron hampir 1,5 milyar ton. 

Dan faktanya memang saat ini untuk mencapai tujuan produksi baja carbon neutral tersebut masih jauh karena pembangunan blast furnace – basic oxygen furnace (BF -BOF) masih banyak dilakukan, yang seharusnya adalah EAF (Electric Arc Furnace) atau saat ini hanya sekitar 30% secara global industri besi dan baja menggunakan EAF ini. Pembangunan blast furnace-blast furnace baru tersebut memang cenderung meningkat yang faktanya yakni pada pertengahan 2024 sekitar 207 juta ton per tahun produksi baru telah diumumkan dan sekitar 100 juta ton per tahun dalam tahap pembangunan.

Sponge iron atau DRI diproduksi dari bijih besi (iron ore) yang telah diproses untuk menghilangkan oksigen, menghasilkan bahan seperti spons berpori. Proses pembuatan DRI disebut proses direct reduction.  Proses direct reduction  dapat dibagi secara kasar menjadi dua kategori: berbasis gas dan berbasis batubara. Dan seperti halnya batubara dapat digunakan, arang (biochar) sebagai bahan karbon juga dapat digunakan. Perbedaannya adalah bahwa arang (biochar) berasal dari kayu atau biomassa, yang merupakan sumber daya terbarukan. Proses ini biasanya melibatkan rotary kiln  di mana bijih besi (iron ore) dan batubara atau arang (biochar) diumpankan bersama, dan reaksi pereduksi terjadi dalam keadaan padat. India adalah produsen utama DRI berbasis batubara, dengan produksi meningkat secara substansial dalam beberapa tahun terakhir, seperti pada peta dibawah ini. Sedangkan produsen-produsen besar DRI atau sponge iron lainnya umumnya prosesnya berbasis gas alam.  

Ketersediaan biochar yang memenuhi spesifikasi dan volume yang mencukupi serta pasokannya yang berkelanjutan dibutuhkan untuk subtitusi dari batubara pada produksi DRI tersebut. Hal ini sehingga di sisi hulu ketersediaan bahan baku biomasa baik dari limbah kehutanan, pengolahan kayu, limbah pertanian dan limbah agroindustri sangat penting untuk keberlangsungan produksi biochar tersebut, bahkan tidak terkecuali juga dengan pembuatan kebun energi untuk maksud tersebut. Selain mengganti reduktor atau bahan bakar dari batubara ke arang (biochar) pada produksi DRI atau sponge iron, upaya mengurangi emisi karbon pada produksi baja rute DRI – EAF  juga dengan mengganti elektrode EAF dari graphite sintetis berbahan baku fossil ke biographite berbahan baku biochar, untuk lebih detail baca disini.  

Dekarbonisasi Industri Besi dan Baja Bagian 3 : dari Low Carbon Production ke Carbon Neutral Production

Ketika target dekarbonisasi harus bisa diraih sesuai deadline yang ditentukan tentunya juga berbagai upaya akan dilakukan termasuk melalui fase transisi. Fase transisi pada industri besi dan baja tersebut adalah dari low carbon production menuju neutral carbon production. Ada sejumlah faktor yang mempengaruhi hingga menuju tujuan tersebut terutama kesiapan pasar untuk membeli produk besi dan baja yang dihasilkan dari proses produksi tersebut dan juga kesiapan bahan bakar dan reduktor untuk blast furnace di industri besi dan baja tersebut. Arang adalah bahan bakar dan reduktor yang berasal dari biomasa yang sangat potensial digunakan pada fase transisi tersebut. Arang sebagai produk karbonisasi atau pirolisis biomasa memiliki nilai kalori tinggi, fixed carbon tinggi dan stabil. 

Sedangkan kondisi neutral carbon production akan dicapai ketika produksi besi dan baja pada industri tersebut 100% menggunakan energi terbarukan. Penggunaan tungku listrik (EAF/Electric Arc Furnace) bisa dilakukan sepanjang listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Begitu juga penggunaan bahan bakar hidrogen pada blast furnace (dengan energi listrik untuk operasional pabrik juga dari energi terbarukan) juga mampu mencapai kondisi neutral carbon production tersebut, dan bahkan penggunaan bahan bakar hidrogen pada blast furnace ini dianggap akan menjadi tujuan puncak (ultimate goal) pada dekarbonisasi pada industri besi dan baja ini. Dengan target tercapai net zero emission pada 2050 dan rata-rata umur pakai blast furnace 20 tahun maka upaya industri besi dan baja untuk mencapai target harus dirumuskan dan diprogramkan dengan baik. Bahkan apabila upaya penggantian blast furnace tidak mengikuti target waktu tersebut maka akan menjadikan pencapaian net zero emission 2050 dalam bahaya.

Faktanya memang saat ini untuk mencapai tujuan tersebut masih jauh karena pembangunan blast furnace – basic oxygen furnace (BF -BOF) masih banyak dilakukan, yang seharusnya adalah EAF (Electric Arc Furnace) atau saat ini hanya sekitar 30% secara global industri besi dan baja menggunakan EAF ini. Bahkan organisasi Asosiasi Energi Internasional (IEA / International Energy Association) menyoroti tentang masalah kritis ini untuk mencapai target Paris Agreement’s net-zero  pada tahun 2050. Intensitas CO2 pada industri ini hanya sedikit mengalami penurunan sehingga penggunaan energi terbarukan menjadi semakin penting dan dipercepat. 

Sebagai contoh kasus adalah industri besi dan baja Jepang. Sebagai produsen baja lebih dari 85 juta ton per tahun dengan penggunaan utama pada proyek konstruksi domestik dan pembuatan otomotif dan dengan lebih 25% (lebih dari 21 juta ton) diexport menjadikan industri baja Jepang memiliki pengaruh signifikan di pasar global. Ketergantungan terhadap batubara yang sangat dominan menjadi problem utama dekarbonisasi dan apalagi Jepang adalah juga pengimport batubara terbesar ketiga di dunia. Lebih jauh dekarbonisasi di Jepang dinilai tidak memadai karena ketertinggalannya industri baja Jepang terhadap produsen-produsen baja utama dunia lainnya. Jepang adalah negara G7 yang tidak mengimplementasikan waktu penghapusan penggunaan batubara (coal phaseout).

Nippon Steel bahkan dilabeli climate laggard atau lambat merespon krisis iklim di kawasan Asia. Hal ini karena strategi dekarbonisasi tidak memadai atau tidak sesuai dengan IPCC’s 1.5°C warming pathway atau the IEA’s net-zero pathways. Kondisi ini mengancam target dekarbonisasi nasional maupun global dan membuat industri baja Jepang beresiko. Sementara permintaan untuk low-carbon steel meningkat dengan pesat karena industri-industri baja dan pemerintah seluruh dunia berkomitmen mengurangi emisi karbon dari bahan bakar fossil.  Industri baja Jepang butuh segera melakukan dekarbonisasi untuk tetap bisa kompetitif di pasar global. Melakukan dekarbonisasi dengan menginvestasikan pada   low-carbon steel production akan mengatasi resiko-resiko tersebut dan bisa membuat posisi industri baja Jepang sebagai pemimpin pada transisi hijau industri baja global. 

 

Terkait masalah bahan bakar atau sumber energi terbarukan maka biomasa memiliki posisi dan peran strategis yakni pada operasional blast furnace arang yang merupakan produk dari karbonisasi biomasa digunakan sebagai bahan bakar dan reduktor, sedangkan pada produksi listrik untuk operasional pabrik besi dan baja tersebut maka biomasa bisa digunakan sebagai sumber energi terbarukan atau pembangkit listrik biomasa. Hal itulah maka ketersediaan biomasa menjadi sangat penting sehingga pembuatan kebun energi sebagai sumber biomasa tersebut menjadi sangat dibutuhkan. Tidak hanya sumber energi, kebun tersebut juga bisa berperan untuk produksi pangan dan pakan, yang keduanya sangat bermanfaat bagi kehidupan manusia. Dan tentu saja optimalisasi pemanfaatan kebun tersebut dengan memanfaatkan seluruh bagian pohon (whole tree utilization) juga memberi keuntungan maksimal secara finansial / ekonomi serta dengan pengelolaan yang baik juga akan memberikan keuntungan atau perbaikan lingkungan. Dan idealnya pada tahun 2050 industri-industri baja tersebut menggunakan electric arc furnaces / EAF,  100% hidrogen pada blast furnace dan bahkan kombinasi carbon capture, untuk mencapai net zero emission 2050 atau bahkan negative emission sehingga sangat baik bagi iklim.  
 

Dekarbonisasi Pada Industri Baja Bagian 2 : Arang sebagai bahan bakar dan reduktor di Blast Furnace

Pada dasarnya kondisi setiap industri baja bervariasi sehingga proses dekarbonisasi juga dilakukan dengan rute yang berbeda-beda dan bertahap untuk mencapai kondisi nett zero emission. Kondisi setiap industri baja memiliki konfigurasi unik teknologi produksinya, bahan baku dan sumber energi, kapasitas dan yield, persyaratan peraturan dan sebagainya. Untuk mencapai Net-zero pada tahun 2050 maka sejumlah hal perlu dilakukan seperti efisiensi penggunaan bahan baku, meningkatkan porsi reuse dan recycling, retrofit dan advanced technology, dan terutama yakni berupaya menggunakan sumber energi terbarukan sebagai bahan bakar dan reduktor pada industri besi dan baja tersebut. Tetapi faktanya pembangunan blast furnace – basic oxygen furnace (BF -BOF) masih banyak dilakukan, yang seharusnya adalah EAF (Electric Arc Furnace) atau saat ini hanya sekitar 30% secara global industri besi dan baja menggunakan EAF ini , tetapi ada upaya transisi bisa dilakukan seperti diuraikan dibawah ini. Transisi tersebut dipengaruhi oleh permintaan dari pasar, intervensi kebijakan, dan insentif diberikan kepada produsen untuk mengurangi emisi pada produksi baja tersebut. 

Untuk membuat kebijakan-kebijakan terkait transisi tersebut, pemberian insentif penurunan emisi untuk produsen dan menciptakan permintaan pasar untuk “green steel” maka sangat diperlukan definisi yang jelas antara emisi rendah (low emission) vs. emisi hampir nol (near zero emissions) vs emisi nol emisi (net-zero emissions)  Diperkirakan pada tahun 2021 emisi gas CO2 dari industri ini adalah 3,8 Gt secara global (hal ini pun emisi metana dari penambangan batubaranya belum diperhitungkan). Sedangkan untuk kondisi Net-zero 2050, emisi CO2 langsung dari industri besi dan baja global harus diturunkan menjadi 1,8 Gt CO2 pada 2030 dan 0,2 Gt pada 2050. Terlihat masih perlu banyak upaya keras untuk mencapai target tersebut, bahkan dengan kondisi saat ini banyak yang pesimis. 

Salah satu pemanfaatan biomasa sebagai bahan bakar carbon neutral pada industri besi dan baja adalah penggunaan arang sebagai bahan bakar dan reduktor. Biomasa seperti kayu harus dikarbonisasi atau dipirolisis untuk menjadi arang tersebut. Penggunaan arang pada blast furnace selain menurunkan emisi karbondioksida (CO2), juga emisi sulfurdioksida (SO2) karena kandungan sulfur dari arang sangat rendah (sekitar 100 kali lebih rendah) dibandingkan kokas (coke). Begitu juga penggunaan batu kapur (limestone) akan berkurang sehingga produksi slag otomatis juga berkurang. Demikian juga membuat operasi blast furnace bersifat asam. 

Disamping sejumlah keuntungan yang didapat seperti diatas ternyata ada kekurangan penggunaan arang pada blast furnace yakni pada blast furnace besar yang menyebabkan operasionalnya bermasalah karena kekuatan (strength) arang biasanya lebih rendah dibanding kokas. Sebagai solusinya yakni ada tiga metode penggunaan arang pada proses blast furnace. Pertama, dengan pulverized charcoal injection (PCI). Dengan metode ini arang harus dihancurkan menjadi bubuk lembut dan dinjeksikan ke dalam blast furnace. Kedua, dengan bubuk arang yang dicampurkan bubuk kokas menjadi pellet atau briket yang disebut charcoke. Dengan dibuat charcoke ini kekuatannya menjadi mencukupi untuk penggunaan pada blast furnace konvensional. Dan ketiga, dengan menggantikan kokas dengan arang bongkahan (lump charcoal) untuk blast furnace kapasitas kecil (inner volume 60 – 550m3). Pada blast furnace kapasitas kecil tekanan kompresi pada tiap partikel arang jauh lebih kecil dibandingkan dengan blast furnace kapasitas besar. Sintering dan pelletisation tidak dibutuhkan dalam hal ini. 

Kebun energi atau kebun biomasa bisa dibuat khusus sebaga pemasok bahan baku untuk produksi arang tersebut. Kebun energi tersebut juga akan menyerap karbon dari atmosfer (carbon sink) dengan volume tertentu. Volume karbon dari atmosfer tersebut bisa dijaga sedemikian rupa sehingga fungsi sebagai penyerap karbon bisa dilakukan, yakni dengan cara jumlah kayu yang dipanen untuk produksi arang tidak boleh melebihi kecepatan tumbuh biomasa kayunya. Dengan cara ini maka kebun energi tidak boleh habis sekali panen tetapi berkesinambungan dengan dipertahankan volume atau luasannya. 

Dengan teknologi pirolisis kontinyu maka produksi arang akan bisa dioptimalkan. Dengan teknologi pirolisis kontinyu tersebut selain kapasitas produksi arang besar, juga dihasilkan produk samping yang multi-manfaat seperti produk gas yang bisa digunakan sebagai sumber energi demikian juga biooil. Biooil juga bisa dimanfaatkan sebaga bahan baku di industri kimia. Produksi arang puluhan hingga ratusan ton per hari juga memungkinkan dengan teknologi pirolisis kontinyu. 

Dan khususnya di Indonesia sebagai pemilik perkebunan kelapa sawit terbesar di dunia yakni diperkirakan mencapai lebih dari 15 juta hektar dan dengan pabrik sawitnya mencapai sekitar 1000 unit banyak limbah sawit yang bisa dimanfaatkan khususnya tandan kosong sawit atau EFB (empty fruit bunch). Potensi produksi arang dari EFB tersebut juga sangat besar. Selain itu juga sebaga produsen batubara terbesar no 5 di dunia dengan produksi berkisar 570 juta ton per tahun, maka batubara juga perlu diolah menjadi kokas. Arang dari tandan kosong atau EFB tersebut bisa dibuat bubuk untuk PCI atau menjadi charcoke dengan dipadatkan yakni dibuat pellet atau briket dengan kokas.