Produksi Bahan-Bahan Kimia Dari Gasifikasi Biomasa

Aplikasi gasifikasi biomasa pada umumnya untuk panas (heat gasifier) dan listrik (power gasifier), tetapi gasifier tersebut juga bisa digunakan untuk memproduksi berbagai bahan kimia. Gas CO (karbon monoksida) dan H2 adalah gas-gas utama yang dihasilkan oleh alat gasifikasi biomasa tersebut untuk bahan baku pembuatan bahan-bahan kimia selanjutnya.

Turunan bahan-bahan kimia yang dihasilkan bisa sangat banyak dan beragam tergantung keinginan kita untuk memproduksinya. Green Chemical adalah bahan-bahan kimia yang dihasilkan dari bahan baku terbarukan seperti biomasa. Biomasa adalah satu-satunya bahan terbarukan sebagai sumber karbon yang potensial untuk menghasilkan berbagai bahan kimia.

Seiring menipisnya cadangan minyak bumi dan upaya pencegahan emisi gas-gas rumah kaca yang menyebabkan perubahan iklim dan pemanasan global, green chemical adalah solusi terbaik.

Biomass Steam Gasification : Teknologi Advance Gasifikasi Biomasa Untuk Mereduksi Emisi Nitrogen Oksida

Photo diambil dari sini

Perhatian dunia terhadap issue lingkungan semakin besar disamping kebutuhan energi juga semakin meningkat seiring pertambahan jumlah penduduk dunia. Proses gasifikasi biomasa konvensional dengan memasukkan udara (air blown) ke dalam reaktor gasifikasi ternyata menghasilkan emisi berupa nitrogen oksida atau senyawa NOx. Senyawa tersebut terbentuk karena udara yang dimasukkan ke dalam reaktor gasifikasi tersebut mengandung sebagian besar nitrogen (78%) yang kemudian bereaksi dengan oksigen membentuk senyawa NOx tersebut. Gas NOx tersebut membahayakan kesehatan dan lingkungan sehingga sebisa mungkin harus dihindari.

Photo diambil dari sini

Salah satu teknik untuk menghindari terbentuknya senyawa NOx tersebut adalah tidak menggunakan udara sebagai media oksidasi pada proses gasifikasi biomasa tetapi digantikan dengan kukus (steam). Proses ini akan menghilangkan terbentuknya gas NOx dan menjadikan komposisi gas yang dihasilkan dari gasifikasi biomasa juga berbeda dengan media oksidasi berupa udara. Proses biomass steam gasification akan menghasilkan komposisi gas hidrogen sekitar 50%. Seperti pada umumnya aplikasi gasifikasi biomasa adalah untuk pembangkit panas dan listrik, maka biomass steam gasification juga sama, hanya akan terjadi sedikit penurunan efisiensi karena konsekuensi proses tersebut. Hidrogen yang dihasilkan bila dimurnikan hingga kadar 100% maka akan bisa digunakan untuk pembangkit listrik dengan teknologi fuel cell. Dengan fuel cell akan dihasilkan emisi yang sangat ramah lingkungan yakni uap air (H2O).

Kompor Ramah Lingkungan Yang Menghasilkan Panas dan Listrik

Hampir 3 milyar manusia di negara-negara berkembang seperti India dan Sub Sahara Afrika menggunakan kayu sebagai bahan bakarnya. Selain tidak efisien , kompor kayu itu umumnya mengeluarkan asap yang banyak sehingga mengganggu pernafasan dan pedih di mata. Sebuah perusahaan di Amerika, Biolitestove,  telah menciptakan kompor yang ramah lingkungan yang efisien yang mengklaim hanya membtuhkan 50% kayu lebih sedikit dari kompor sejenis dan polusi dari emisi asapnya yang rendah. Kompor itu ditujukan terutama untuk negara-negara berkembang tersebut. Yang menarik selain menghasilkan panas seperti kompor pada umumnya, kompor ini juga menghasilkan listrik. Penelitian pembuatan kompor ini telah menghabiskan 1.8 US$ (sekitar 1,8 milyar rupiah) yang didanai oleh para investor. Ada 2 model kompor yang dibuat oleh perusahaan tersebut yakni Home Stove untuk pemakaian rumah tangga dan Camp Stove untuk kegiatan berkemah dan aktivitas outdorr lainnya.Perbandingan kinerja kompor tersebut dibandingkan kompor biomasa lain seperti pada grafik dibawah ini :

Kompor tersebut dirancang untuk mampu beroperasi dengan berbagai biomasa antara lain ranting-ranting kayu, sekam padi, wood pellet bahkan kotoran ternak. Panas dari kompor tersebut selain digunakan untuk memasak atau mendidihkan air, juga akan dikonversi menjadi listrik dengan suatu thermo-electric generator. Listrik yang dihasilkan akan digunakan untuk menggerakkan kipas untuk suplai udara dalam kompor dan untuk charge berbagai perangkat elektronik (gadget) yang bisa discharge melalui USB outlet seperti smartphone, GPS atau lampu LED.

Kompor ini bekerja dengan secara gasifikasi sebagai sebuah teknologi yang telah teruji dan puluhan tahun telah digunakan diberbagai proses thermal. Air to fuel ratio telah diatur oleh kipas tersebut untuk kondisi operasi tersebut. Sehingga kompor ini juga akan menghasilkan produk samping atau residue berupa biochar seperti halnya kompor biochar apabila pengontrolan gasifikasi tersebut bisa dilakukan dengan baik.   

Gedung Pencakar Langit Dari Kayu Lebih Ramah Lingkungan Daripada Beton Dan Baja

Photo diambil dari sini

Ada perubahan konsep secara menyeluruh pada konstruksi gedung pencakar langit "green city" saat ini dan setiap orang membicarakan pergantian beton dengan gedung pencakar langit kayu.


Kesan pertama ketika membaca topik ini, seseorang mungkin membicarakan tentang suatu tujuan untuk mempertimbangkan kayu daripada beton. Bagaimanapun, jika Anda berpikir tentang konsumsi energi yang dibutuhkan membuat beton yang tidak ramah lingkungan, Anda mungkin setuju bahwa bahan baku untuk gedung alternative dibutuhkan. 

Pergantian ke kayu juga kelihatannya juga bukan pilihan terbaik jika Anda melihat sebagai upaya penebangan hutan dunia, bagaimanapun saat ini arsitek dan investor seluruh dunia membicarakan tentang hutan yang berkelanjutan dan terkelola untuk maksud ini. Kayu akan mengunci CO2 untuk struktur life cycle-nya, sementara menurut International Energy agency (IEA) beton aktualnya menghasilkan 6-9 kilo karbon dioksida untuk setiap 10 kilogram pembuatannya. Bangunan pencakar langit kayu ini juga lebih murah dibandingkan material lainnya. 

Fokus Pada Abu

Abu pembakaran kayu; photo diambil dari sini

Pemanfaatan biomasa dengan rute thermal yakni pembakaran (combustion) dan gasifikasi akan dihasilkan residue berupa abu. Sedangkan pada pirolisis karena bekerja pada suhu rendah  (400-600 C) dan  tanpa oksigen/udara maka tidak terjadi abu. Mineral-mineral yang terkandung dalam biomasa akan tetap tertinggal pada produk berupa arang pada proses pirolisis. Kadar abu (ash content) dan komposisi abu (ash composition/ash chemistry) sangat mempengaruhi proses pemanfaatan biomasa tersebut selain nilai kalor (heating value), ukuran partikel dan kadar airnya.

Secara umum karakterisasi dari abu dari biomasa dideskripsikan oleh Bryers  sebagai berikut :

1.       Kandungan abu silica (Si) dan potassium (K) yang tinggi dengan kalsium (Ca) yang rendah, dengan low fusion temperature berasal dari kelompok limbah-limbah biomasa pertanian.

2.       Kandungan abu silica (Si) dan potassium (K) yang rendah dengan kalsium (Ca) yang tinggi, dengan high fusion temperature berasal dari kelompok hampir semua biomasa kayu. Spesifikasi yang terbaik untuk pembakaran (combustion) dan gasifikasi.

3.       Kandungan abu potassium (K) dan phosphorus yang tinggi, dengan low fusion temperature berasal dari kelompok kotoran seperti kotoran unggas dan ternak.

Biomass Ash Content

Kandungan abu dari berbagai tipe biomasa mengindikasikan slagging behavior. Pada umumnya, semakin tinggi kandungan abunya, semakin besar kecenderungan slagging behavior-nya. Tetapi ini bukan berarti bahwa kandungan abu yang rendah tidak menunjukkan fenomena slagging tersebut. Suhu operasi, komposisi mineral (ash chemistry) dari abu dan prosentase-nya merupakan variable-variabel terjadinya slagging tersebut. Jika kondisinya mendukung maka slagging akan semakin besar. Mineral seperti SiO2, Na2O dan K2O lebih bertendensi terhadap terjadinya slagging. Biasanya slagging terjadi pada biomasa dengan kandungan abu lebih dari 4% dan non-slagging fuel dengan kandungan abu kurang dari 4%. Menurut komposisi melelehnya, bahan bakar-bahan bakar biomasa tersebut dikelompokkan menjadi severe atau moderate slagging.

Ash Chemistry; taken from here

 Masalah yang ditimbulkan dari abu ini adalah menyumbat lubang pemasukan udara ataupun meleleh (slagging) yang akan mengurangi efisiensi proses thermal gasifikasi dan pembakaran (combustion) tersebut  terkait suplai udara dan distribusi biomasa dalam unit proses tersebut.

Ash slagging; photo diambil dari sini

Sehingga sebelum mengolah suatu limbah biomasa,  pertimbangkan dan perhatikan kadar abu dan komposisinya sehingga bisa memberikan hasil yang optimum. 

Biomass Briquette : Piston/Ram Type atau Screw Type?

Biomass briquette dan charcoal briquette

Berbeda dengan wood pellet yang hanya memiliki satu macam bentuk yakni cylindrical, biomass briquette memiliki bentuk yang bermacam-macam seperti cylindrical, hexagonal, dan balok. Selain itu pada sisi komersial biomass briquette berdasarkan proses pembuatannya dikelompokkan menjadi dua yakni piston/ram type yang dibuat dengan piston atau mechanical press dengan tekanan tinggi; sedangkan screw type dibuat screw extruder yang biomasa mengalami ekstrusi secara kontinyu dengan ujung die-nya dipanasi. Pada ram/piston press keausan mesin yang berkontak dengan biomasa lebih kecil dibandingkan dengan screw extruder. Konsumsi energi untuk ram/piston type juga lebih kecil dibandingkan dengan screw extruder type.  Tetapi dalah hal kualitas dan prosedur produksi screw extruder type superior dibandingkan teknologi piston press. Adanya lubang ditengah-tengah briquette pada screw type membuat pembakaran lebih seragam dan efisien dan juga briquette tipe bisa dikarbonisasi menjadi charcoal briquette. Perbandingan antara kedua macam biomass briquette tersebut seperti pada table dibawah ini :

Perbandingan teknologi diantara keduanya seperti tertera di bawah ini :

ram type biomass briquette; photo diambil dari sini

A.      Teknologi ram/piston press

-Gesekan antara biomasa dengan alan relative kecil, sehingga keausan mesin bisa berkurang.

- Kadar air dari bahan baku seharusnya dibuat kurang dari 12% untuk hasil terbaik.

-Kualitas dari briquette menurun ketika produksinya ditingkatkan dengan daya yang sama.

-Karbonisasi pada lapisan luar tidak dimungkinkan, sehingga briquette agak rapuh.

Pada teknologi screw extruder, biomasa mengalami ekstrusi secara kontinyu oleh screw kemudian die-nya dipanasi secara eksternal untuk mengurangi friksi.

B.      Teknologi Screw Extruder :

-Output kontinyu dan briquette keluar dengan ukuran yang seragam.

-Lapisan luar briquette terkarbonisasi sebagian sehingga memudahkan penyalaan dan pembakaran. Lapisan ini juga mem-protect dari air udaraa sekitar.

-Lubang ditengah briquette membantu pembakaran karena suplai udara menjadi mencukupi.

-Mesin atau alat beroperasi sangat lembut tanpa ada shock load

-Mesin atau alat juga lebih ringan dibandingkan ram/piston press karena tidak adanya reciprocating part dan flywheel.

-Komponen mesin dan pelumas yang digunakan dalam mesin terbebas dari debu atau kontaminasi bahan baku.

-Konsumsi energinya tinggi dibandingkan ram/piston press

Konversi oil burner furnace dengan biomass briquette: photo diambil dari sini

Pada saat ini teknologi screw extruder dan ram/piston press ini menjadi penting secara komersial. Teknologi ram/piston press lebih tua dibandingkan dengan teknologi screw extruder, sehingga dijumpai lebih banyak unit ram/piston press beroperasi saat ini. Tetapi perkembangan screw extruder juga pesat sehingga diprediksi dalam beberapa tahun ke depan produksi biomass briquette screw type juga melonjak tajam. Resume dari aplikasi biomass briquette type screw bia dilihat di sini.

Kompor Biochar (Biochar Stove) Untuk Indonesia

Photo diambil dari sini

Di negara berkembang, sekitar 22 persen dari energi yang digunakan berasal dari biomassa, namun sebagian besar digunakan non-komersial dalam aplikasi tradisional (seperti memasak kompor). Kompor ini memasak tradisional sering dicirikan oleh efisiensi yang rendah dan tinggi pelepasan senyawa organik beracun. Dengan 1,3 juta kematian secara global setiap tahun karena pneumonia, penyakit pernapasan kronis dan kanker paru-paru. Di negara seperti Nepal, bahan bakar biomassa tradisional mencakup lebih dari 90 persen dari input energi primer.

Kompor biochar adalah kompor yang dirancang khusus sehingga beroperasi secara pirolisis dan gasifikasi. Selain panas, produk berupa arang (biochar) akan dihasilkan yang bisa digunakan untuk memperbaiki kesuburan tanah. Polusi yang ditimbulkan juga lebih kecil selain efisiensinya juga ditingkatkan. Model TLUD adalah tipe kompor biochar yang paling populer dan banyak digunakan. Sejumlah program-program untuk sosialisai kompor biochar ini telah dilakukan termasuk aktivitas komersial penjualannya. WorldStove adalah salah satu produsen kompor biochar ini sekaligus aktif dalam berbagai program-program kemanusiaan untuk sosialisasinya selain komersialisasi penjualan langsung.Selain itu ada masih banyak lagi seperti  GeoBiocharStove, SeaBiocharStove, Peko Pe BiocharStove dan sebagainya.  Bahan bakar wood pellet dan biomass briquette sangat ideal untuk tipe kompor ini. Untuk mendapat pemahaman lebih lengkap tentang kompor biochar silahkan klik disini.

Photo diambil dari sini 

Mengisi bahan bakar wood pellet untuk kompor: photo diambil dari sini

Stock wood pellet untuk bahan bakar kompor; photo diambil dari sini

Berdasarkan latar belakang diatas maka kompor yang lebih baik perlu dibuat untuk menggantikan tungku tradisional yang tidak efisien dan mencemari lingkungan serta sesuai dengan kebiasaan memasak orang Indonesia. Sudah merupakan rahasia umum bahwa pirolisis dan gasifikasi adalah metode lebih baik untuk mengektrak energi dari biomasa daripada pembakaran. Dengan metode tersebut, gas yang bisa terbakar dengan lebih bersih bisa didapat dan juga didapatkan arang (biochar) sebagai produk samping atau residue. Dengan mengoperasikan kompor pada mode pirolisis, kita akan menyerap lebih banyak CO2 daripada yang diproduksi. Sedangkan produk biochar (arang) tersebut bisa kita gunakan untuk :

1. Pembenah tanah (soil amendment) yang mampu memperbaiki kualitas tanah. Hal ini membantu tanaman lebih mudah mendapatkan air dan nutrisi. Struktur arang yang berpori (porous) juga membuat sejumlah mikroba penyubur tanah bisa hidup dengan baik dan kemampuannya untuk menjerap (adsorbent) sehingga nutrisi dan air dilepaskan secara lambat (slow release).  Mikroba tersebut akan mengurai bahan organik dalam tanah dan membantu pengikatan nitrogen. Perkembangan terbaru juga telah ada penemuan pupuk berbasis arang (biochar), silahkan baca di sini.
2. Media penyerapan karbon dari atmosfer. Biochar ketika dibuat dengan cara yang benar akan bersifat inert dan menahan CO2 di dalam tanah, mencegahnya lepas ke atmosfer.
3. Biochar dapat dibuat briket dan dijual.

siklus Carbon Negative dengan biochar; gambar diambil dari sini

Dari sejumlah kompor yang telah dibuat dan diaplikasikan diberbagai tempat, ditinjau dari sirkulasi udara di dalam kompor tersebut bisa dibedakan menjadi dua kelompok yakni natural drfat dan forced draft. Forced draft membutuhkan kipas (dengan tenaga baterai) untuk mensirkulasikan udara tersebut, sedangkan natural draft mengambil keuntungan dari fenomena alamiah berupa konveksi alami dan perbedaan tekanan udara. Ditinjau dari proses utamanya, sejumlah kompor menggunakan udara primer melalui solid fuel bed dari bawah ke bagian atas membawa gas hasil pirolisis dicampur dengan udara sekunder dan dibakar, sedangkan yang lainnya tidak ada aliran udara melalui fuel bed menciptakan kondisi pirolisis total. Hampir semua kompor mengonsumsi bahan bakar dari atas ke bawah. Hal ini karena tumpukan bahan bakar tersebut dinyalakan dari atas.Kemudian, panas dan lidah api dari penyalaan awal membuat kondisi pirolisis pada tumpukan lapisan bahan bakar dibawahnya mengeluarkan gas pirolisis yang bisa terbakar. 

photo diambl dari sini