Washed PKS untuk Dekarbonisasi Pabrik Besi dan Baja

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 penggunaan 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 sumber energi atau reduktornya. Batubara tersebut diolah menjadi kokas dan digunakan pada tungku peleburan atau blast furnace. Diperkirakan sekitar 70% produksi baja dunia menggunakan blast furnace atau proses BF-BO, bahkan di China lebih dari 90% produksi baja menggunakan proses BF-BOF tersebut. 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.

Hampir semua emisi CO2 pada sektor produksi baja berasal dari blast furnace (BF) untuk pemunrnian bijih besi (iron ore) menjadi crude iron atau pig iron. Tantangannya sangat besar yakni ada sekitar 1.850 pabrik baja di dunia dengan sekitar 1.000 pabrik tersebut menggunakan blast furnace, dengan produksi pig iron mencapai sekitar 1,5 milyar ton per tahun.

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.

Penggunaan bahan bakar karbon berbasis biomasa (biocarbon) 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 kokas yang berasal dari batubara maka praktis tidak banyak bahkan tidak perlu perubahan atau modifikasi pada tungku peleburannya. Tetapi faktor ketersediaan arang berkualitas tinggi, volume besar dan suplai yang kontinyu masih menjadi kendala utamanya.

Hal ini sehingga penggunaan arang atau charcoal untuk menggantikan kokas dari batubara di blast furnace menjadi penting. Arang yang berasal dari biomasa adalah material terbarukan yang berkelanjutan sebagai reduktor atau bahan bakar di blast furnace sehingga dari reaksi kimia akan memisahkan atom oksigen dari atom besi dan ini akan mengemisikan CO2. Hal ini akan mengubah bijih besi (iron ore) (Fe2O3) menjadi crude (pig) iron. 

Tetapi bedanya karena sumber karbon sebagai reduktor atau bahan bakar.  blast furnace berasal dari sumber terbarukan dan berkelanjutan maka hal tersebut menjadi proses yang carbon neutral. Sedangkan apabila menggunakan kokas dari batubara karena berasal dari sumber fossil maka hal tersebut menjadi proses carbon positive. Demikian juga apabila menggunakan gas alam sebagai sumber karbon untuk reduktor atau bahan bakar di blast furnace tersebut, walaupun dikatakan less carbon intensity.  

Penggunaan arang atau material biocarbon 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 penggunaan kokas yang berasal dari batubara yang menggantikan arang atau material biocarbon pada pembuatan baja dan logam-logam lainnya.

Arang adalah bahan bakar dan reduktor yang berasal dari biomasa yang sangat potensial digunakan pada fase transisi tersebut. Cangkang sawit atau palm kernel shell (PKS) adalah bahan baku biomasa potensial untuk produksi arang tersebut. Kuantitas cangkang sawit juga mencapai jutaan ton sehingga pasokannya bisa diandalkan. Arang sebagai produk karbonisasi atau pirolisis biomasa memiliki nilai kalori tinggi, fixed carbon tinggi dan stabil. Tetapi selain itu ada faktor lain yakni ash chemistry yang mempengaruhi kualitas baja yang dihasilkan. Hal ini sedikit mirip dengan ash chemistry pada wood pellet dari kebun energi kaliandra ataupun gliricidia. 

Pada penggunaan untuk reduktor di blast furnace arang tersebut harus memiliki kandungan phospor rendah, sedangkan pada wood pellet dari kebun energi kaliandra ataupun gliricidia harus memiliki kandungan kalium/potassium yang rendah, demikian juga natrium/sodium dan klorin-nya. Pada wood pellet tersebut kandungan kalium/potasium, natrium/sodium dan klorin mempengaruhi kualitas wood pellet dan juga penggunaannya untuk pembangkit listrik. Pembangkit listrik berteknologi pulverized combustion yang banyak digunakan di dunia akan menolak apabila menggunakan wood pellet dengan kualitas tersebut. Demikian juga pada blast furnace juga akan menolak arang yang memiliki kandungan phospor tinggi. 

Untuk mendapatkan kualitas dengan kandungan phospor rendah tersebut maka cangkang sawit atau PKS harus dicuci dulu. Setelah pencucian kandungan phospor akan turun selanjutnya dikeringkan dan dipirolisis atau karbonisasi untuk menjadi arang cangkang sawit (PKSC = palm kernel shell charcoal). Demikian juga untuk wood pellet tersebut. Hanya bedanya pada produksi wood pellet tidak ada pirolisis atau karbonisasi tetapi setelah kekeringan dan ukuran partikel sesuai lalu pemadatan (biomass densification) dalam pelletiser.

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. Dengan nilai kalor yang hampir sama dengan biomasa kayu-kayuan maka hal tersebut juga setara dengan penggunaan PKS, yang merupakan limbah perkebunan atau agro industri.

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.  Penggunaan arang atau biocarbon ini pada blast furnace merupakan produksi low carbon steel tersebut, karena belum 100% produksi baja tersebut menggunakan energi terbarukan.  

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.