PROSES HYDROCARB UNTUK BIOMAS DAN BAHAN BAKAR FOSIL

  1 PROSES HYDROCARB UNTUK BIOMAS DAN BAHAN BAKAR FOSIL

Agus Sugiyono

Staf Peneliti Direktorat Teknologi Energi, BPP Teknologi

  1. Pendahuluan

Sektor energi merupakan sektor yang sangat penting di Indonesia karena selain sebagai

penggerak ekonomi dalam negeri juga sebagai komoditi eksport. Untuk memenuhi keperluan

energi dalam negeri, ada beberapa sumber energi yang tersedia seperti : minyak bumi, gas alam,

batubara, geothermal, biomass, dan sumber energi baru yang lainnya. Pada tahun 1991 kebutuhan

energi dalam negeri mencapai 52 MTOE yang sebagian besar menggunakan minyak bumi (41 %)

dan biomas, sebagai sumber energi tradisional (31 %). Sisanya dipenuhi dengan gas alam sebesar

18 %, batubara 6 % dan tenaga air bersama-sama dengan geothermal sebesar 4 % [3].

bumi yang mencukupi dan cadangan batubara yang masih melimpah. Cadangan minyak bumi

  9

  9

  

diperkirakan sebesar 10.73 x 10 barrel dengan rata-rata produksi 0.47 x 10 barrel per tahun,

  12

  12

  

sedangkan cadangan gas alam sebesar 101.8 x 10 SCF dengan rata-rata produksi 2.1 x 10 SCF

  9

  9

  

per tahun dan cadangan batubara sebesar 34.31 x 10 ton dengan rata-rata produksi 0.011 x 10

ton per tahun [2]. Sumber biomas tersebar di seluruh wilayah baik yang berupa produksi hasil

  6

  

hutan maupun limbah pertanian. Potensi produksi biomas diperkirakan sebesar 246.3 x 10 ton per

  6

  

tahun dengan perincian : hasil hutan sebesar 217.0 x 10 ton per tahun dan limbah pertanian

  6

  

sebesar 29.3 x 10 ton per tahun [4]. Keterbatasan bahan bakar minyak dalam negeri telah

mendorong pemerintah untuk melaksanakan kebijaksanaan diversifikasi energi. Berbagai sumber

energi alternatif terus dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri, termasuk

pemanfaatan biomas menjadi energi yang komersial.

Teknologi pemanfaatan biomas menjadi bahan bakar komersial terus dikembangkan dewasa ini.

Pemanfaatan energi dari biomas mula-mula dikembangkan dari hasil manajemen limbah.

Pembangkit listrik yang memanfaatkan limbah dari penggergajian kayu telah dikembangkan di

Amerika. Kemudian pemanfaatan limbah pertanian juga dikembangkan untuk pembangkit tenaga

listrik. Contoh lain pemanfaatan biomas yaitu produksi alkohol dari biji tumbuh-tumbuhan di

Amerika dan Eropa dan produksi alkohol dari tebu yang dapat digunakan sebagai bahan bakar

mobil di Brasil. Meskipun produksi biomas sebagai bahan bakar komersial secara ekonomis masih

mahal, tetapi teknologi pemanfaatan biomas untuk memperoleh nilai tambah yang lebih baik terus

  1 Innertap - DJLPE, Proseding Prospek Pemanfaatan Biomasa Sebagai Energi di Indonesia, hal. 83-90, September 1995.

  

dikembangkan termasuk salah satunya yaitu proses hydrocrab. Dalam makalah ini akan dibahas

proses hydrocarb dengan bahan baku biomas dan bahan bakar fosil.

  2. Proses Hydrocarb

Secara umum proses hydrocarb dibagi menjadi tiga tahap, yaitu : proses hydrogasification dari

bahan baku (biomas atau bahan bakar fossil), proses pyrolysis yang merupakan proses

dekomposisi methane secara thermal dan proses pembentukan methanol secara catalytic.

Biomas yang berasal dari kayu bakar mempunyai komposisi seperti ditunjukkan dalam Table 1

dan mempunyai rumus kimia CH O . Kandungan abu dan sulfur dari kayu bakar lebih kecil

  1.38

  0.59

bila dibandingkan dengan batubara, yang akan mengurangi biaya dan kesulitan dalam

memanfaatkan biomass.

  

Table 1. Ultimate Analysis dari kayu bakar

Wt % (dry basis) Ash

  0.74 Carbon (total)

  51.94 Hydrogen

  5.99 Sulfur

  0.18 Nitrogen

  0.48 Oxygen

  40.67 Total 100.00 Total proses hydrocarb dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi sebagai berikut :

CH O + 0.245 CH ----> 0.655 C + 0.59 CH OH (1)

  1.38

  0.59

  4

  3 kayu bakar + gas alam ----> karbon + methanol

Mula-mula biomas, gas alam, dan penyerap sulfur diumpankan ke reaktor hydrogasification pada

  6 suhu 800 oC dengan tekanan 5 x 10 N/m2 (50 atm). Reaksi yang terjadi selama proses ini :

C + 2 H ---> CH (2)

  2

  4 C + H ---> CO + H (3)

  2

  2 CO + H O ---> CO + H (4)

  2

  2

  2 CO + H --> C + H O (5)

  2

  2

  

Abu, karbon dan penyerap sulfur keluar dari reaktor hydrogasification dalam bentuk padat

sedangkan gas yang dihasilkan diumpankan ke reaktor kedua yang mempunyai suhu 1100 oC dan

tekanan sekitar 50 atm dan reaksinya :

CH ---> C + 2 H (6)

  4

  2 C + H O --> CO + H (7)

  2

  2 C + CO ---> 2 CO (8)

  2 Karbon murni yang terbentuk dalam dekomposisi thermal dari methane dalam reaktor pyrolysis

dibuang sebagai hasil sampingan. Kemudian methanol diproses dalam reaktor ketiga pada suhu

o 260 C dan tekanan sekitar 50 atm.

  

CO + 2 H ---> CH OH (9)

  2

  3 CO2 + 3 H ---> CH OH + H O (10)

  2

  3

  2 Setelah kondensasi methanol, sisa-sisa gas dikembalikan ke reaktor hydrogasification. Seluruh nitrogen yang terkandung dalam bahan baku diubah menjadi N .

  2 Untuk proses hydrocarb yang menggunakan bahan baku campuran biomas dan batubara mempunyai proses yang sama dengan proses di atas. kayu bakar + batubara ----> karbon + methanol

Kesetimbangan materi dan komposisi kimia ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 2 dan 3

memperlihatkan keseteimbangan energi dalam reaktor hydrogasification dan dalam reaktor

. pyrolysis

  3. Permasalahan dan Prospek

Meskipun sistem yang terintegrasi belum beroperasi, tetapi tiap proses telah dicoba

menggunakan bahan baku batubara di Brookaven National Laboratory (BNL). Juga telah dicoba

dengan bahan baku biomas dan terus dilakukan perbaikkan. Jika biomas saja yang digunakan

sebagai bahan baku, proses hydrocarb akan mendekomposisi biomas menjadi karbon, hydrogen

dan air. Proses ini dapat menyimpan karbon yang terkandung dalam biomas tapi hanya 3 % dari

energi biomas yang diubah menjadi hydrogen. Jika bahan baku ditambah dengan gas alam,

akan menghasilkan methanol sebagai tambahan dari karbon. Dengan proses yang coprocessing

sama, proses hydrocarb dapat menggunakan bahan baku campuran biomas, batubara dan gas

alam.

  

Biomas mengandung 0.18 % sulfur yang menghasilkan 340 ppm H S dalam reaktor

  2 . Dalam methanol converter, gas synthetis harus mempunyai kandungan sulfur yang hydrogasifier

  

kurang dari 2 ppm sehingga selama proses hydrogasification dari biomass perlu menambahkan

penyerap H S. Meskipun batu kapur (CaCO ) telah berhasil digunakan sebagai penyerap H S

  2

  3

  2

pada proses hydrogasification dari batubara pada tekanan yang rendah, pada proses

dari biomas ada kemungkinan CaCO tidak reaktif dengan H S. Diperkirakan hydrogasification

  3

  2 (MgCO .CaCO ) dapat digunakan untuk menyerap sulfur menjadi MgO.CaS. Karena dolomite

  3

3 CaS tidak dapat dibuang langsung dan tidak dapat dioksidasi tanpa melalui emisi SO , maka CaS

  2

hasil dari proses hydrogasification digunakan sebagai bahan bakar reheater pada temperatur 1500

oC. Pada temperatur ini oksidasi CaS dan dekomposisi menjadi MgO.CaO + SO akan

  2

berlangsung. Kemudian SO dikumpulkan dari gas buang reheater dengan scrubber konvensional.

2 Penggunaan alumina untuk mengendalikan suhu dalam hydrogasifier dan sebagai penukar kalor

  

dalam reaktor pyrolysis merupakan hal perlu diperhatikan. Kesetimbangan energi memperlihatkan

bahwa tingkat daur ulang dari alumina sangat tinggi, sekitar 20 kali dibandingkan dengan tingkat

penggunaan bahan baku biomas. Menangani aliran masa yang besar dan bertekanan tinggi dari

alumina juga masih merupakan masalah.

bahan yang mengandung karbon selain bahan bakar fossil seperti limbah padat. Aspek penting

yang lain yaitu aspek lingkungan disaat kebutuhan bahan bakar cair yang bersih lingkungan juga

semakin meningkat. Dalam proses hydrocarb dengan bahan baku biomas, hasil sampingan yang

berupa karbon bebas dari abu, sulfur dan nitrogen, sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar

bersih lingkungan di sektor industri khususnya untuk menghilangkan emisi SO dan emisi abu dari

  2

boiler atau mesin diesel. Oleh karena bahan bakar ini tidak mengandung nitrogen maka emisi NOx

dapat dikurangi sebesar 50 % bila dibandingkan dengan penggunaan batubara.

  

Methanol dan karbon serta hydrogen dan methane dapat sebagai alternatif hasil gabungan dari

proses hydrocrab. Jika suatu saat hydrogen menjadi standard bahan bakar untuk transportasi, pada

saat pergantiannya memerlukan fasilitas pemroses yang mampu memproduksi methanol dan

. Prospek lain dari proses hydrocarb yaitu untuk menanggulangi masalah pemanasan hydrogen

global. Proses hydrocarb dapat mengubah gas alam ke methanol dan kemudian menggunakan

sebagai bahan bakar dengan jumlah emisi CO total adalah nol. methanol

  2 Perbandingan secara ekonomis teknologi hydrocarb ditunjukkan dalam Table 2. Dari Tabel 2

dapat ditunjukkan bahwa coprocess biomas dan gas alam mempunyai efisiensi thermal yang lebih

tinggi dibandingkan dengan proses hydrocarb yang lainnya. Makin besar karbon yang disimpan

maka makin mahal biaya investasinya sehingga harga methanol hasil proses hydrocarb juga

meningkat. Coprocess biomas dan gas alam dapat menurunkan biaya investasi tersebut.

4. Penutup

  

Proses hydrocarb merupakan salah satu proses untuk memanfaatkan biomas menjadi bahan

bakar komersial dan mempunyai beberapa keuntungan diantaranya :

• - bahan bakar hasil proses hydrocarb dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak bila

  suatu saat cadangan minyak habis.

• - karbon yang dihasilkan oleh proses hydrocarb bebas dari abu, sulfur dan nitrogen sehingga dapat

  digunakan sebagai bahan bakar untuk sektor industri dan mempunyai dampak pemakaiannya

  terhadap lingkungan yang kecil.

• - mempunyai prospek untuk membuat dan memanfaatkan methanol dengan emisi CO yang

  2 minimum.

  Daftar pustaka

[1] Arnulf Grubler, Nebojsa Nakicenovic dan Andreas Schafer, Summary of IPCC/EIS - IIASA

,

  International Workshop on Energi-Related Greenhouse Gases Reduction and Removal

[2] BPPT-KFA, Environmental Impact of Energy Strategies for Indonesia : Final Summary

, May 1993.

  Report

[3] International Energy Agency, The IEA Energy Balance and Statistics Databases, on diskette,

1993.

  

[4] Riyanto Marosin, L.M. Panggabean, State of the Art of Biomass Gasification Technology in

, Seminar on Power Generation Technology Using Biomass, 17-18 Januari 1989.

  Indonesia

[5] Robert H. Borgwardt, Meyer Steinberg, Edward W. Grobse and Yuanki Tung, Biomass and

, US EPA.

  Fossil Fuel to Methanol and Carbon via The Hydrocarb Process

  BIOMASS 100 kg CH 17.75 kg PURGE

  4 CH O

  1.38 0.492 kg mol

0.59 CO 3.89 %

  CO 0.27 % HYDRO-

  2 CH 18.76 %

  4 GASIFICATION H O 0.06 % CARBON 16.3 kg

  2 REACTOR H 76.11 %

  2 o CH OH 0.91 %

  3 800 C

50 atm

15.15 kg mol

  CO 4.65 % CO 1.54 %

  2 METHANOL CH 39.76 %

  4 CONVERTER H O 12.6 %

  2 o CH OH

3 C H 41.43 %

  260

  2 66.75 kg 50 atm 16.58 kg mol

  

PYROLYSIS

REACTOR

o

CO 12.09 % CARBON 23 kg

  

1100 C

CO 0.19 %

  2

50 atm

CH 12.83 %

  4 H O 2.17 %

  2 H 72.12 %

  2 22.16 kg mol

  Gambar 1. Kesetimbangan Materi dan Komposisi Kimia [5]

o

ALUMINA 800 C

  746 kg o 100 kg BIOMASS 200 C PYROLYSIS REACTOR FEED

  8 H = 5.187 x 10 J

  8 F

• 5.308 x 10 J

  EXOTHERMIC

  7 Sens. = -4.17 x 10 J

  o REACTIONS CONVERTER RECYCLE 1050 C

  8

• 5.397 x 10 J

  

8

• 2.693 x 10 J

  o CARBON CH 200 C

  4

  7

• 2.75 x 10 J

  7 H = 8.30 x 10 J F

  6 Sens. = -7.78 x 10 J

  

o

ALUMINA 1100 C

  8

  3.00 x 10 J Gambar 2. Kesetimbangan Energi dalam Reaktor Hydrogasification [5]

• -5.488 x 10 J

• 8.25 x 10 J
• 1.56 x 10 J
• 5.31 x 10 J
• 5.584 x 10 J

  8 Combustion Reactions : Carbon = -4.572 x 10 J Purge gas = -1.916 x 10 J

  800 C o

  1500 C o 750 C o

  REACTOR CARBON + ASH PURGE GAS ALUMINA REHEATER COMBUSTOR AIR PREHEATER AIR ASH FLUE GAS AIR ALUMINA ALUMINA 800 C o 800 C o CARBON

  4 o o 260 C o o o 1100 C o 1100 C o 260 C o 800 C o 800 C o PYROLYSIS

  2

  50 C 1050 C 240 C

ALUMINA

1100 C o

1100 C

o

  AIR + H O AIR COOLING WATER STEAM METHANOL METHANOL CONDENSER CH METHANOL CONVERTER WATER GAS COOLER GAS REHEATER ALUMINA DRY BIOMASS HYDRO GASIFICATION REACTOR 240 C

  Gambar 3 Kesetimbangan Energi dalam Reaktor Pyrolysis [5] DRIER CHIPPER WET BIOMASS

  8 GAS FROM HYDROGASIFIER TO HYDROGASIFIER 800 C o 746 kg ALUMINA

  8

  8 SYNTHESIS GAS TO METHANOL CONVERTER 1100 C o 800 C o

  8

  7

  13.93 kg CARBON

  7 0.492 kg mol PURGE GAS

  8 750 C o

  8 800 C o

  CARBON AIR 21 mols FLUE GAS 22.3 mols

  8 o 1360 kg

  746 kg, -3.00 x 10 J

  8 o ALUMINA 1100 C

  

ALUMINA 1100 C

  8 800 C o

• 4.421 x 10 J

• 2.58 x 10 J

  AIR PREHEATER ALUMINA PREHEATER 1100 C ENDOTHERMIC REACTIONS 5.29 x 10 J o

• 1.163 x 10 J

  25 C o

Gambar 4. Diagram Proses Hydrocarb [5]

  0 T/D 187 158 850 6.10 4 110,000 131

  28,400 T/D 14,700 T/D 318 PJ/yr

  Methanol Carbon

  28,400 T/D 14,700 T/D 318 PJ/yr

  Bit. Coal Biomass

  8 Hydrocarb Coprocess Store all C

  5.30 4 125,000 173

  70 78 1,200

  110,000 B/D 8,900 T/D

  Methanol Carbon

  Bit. Coal Biomass

  0 T/D

  7 Hydrocarb Coprocess Store 50 % C

  2.50 4 125,000 275

  110,000 B/D 17,700 T/D 112 114 1,200

  Methanol Carbon

  28,400 T/D 14,900 T/D 318 PJ/yr

  Bit. Coal Biomass

  6 Hydrocarb Coprocess Methanol

  2.90 4 150,000 190

  85 87 1,100

  110,000 B/D

  27 43 1,200

  Gasoline Carbon

  Natural Gas Biomass 238 x 10^6

  136,000 B/D

  Methanol Carbon

  SCF/D 25,000 T/D 219 PJ/yr

  Natural Gas Biomass 238 x 10^6

  11 Hydrocarb Coprocess Nat. Gas & Store all C

  4.70 4 110,000 197

  136,000 B/D 6,800 T/D 370 237 850

  Methanol Carbon

  SCF/D 25,000 T/D 219 PJ/yr

  10 Hydrocarb Coprocess Nat. Gas & Biomass

  8.00 4 125,000 104

  86

  9.70 4 175,000

  26 36 1,500

  0 T/D

  49,300 B/D

  Gasoline Carbon

  25,000 T/D 13,300 T/D 318 PJ/yr

  Store C Bit. Coal Biomass

  9 Hydrocarb Coprocess Coal Gas.

  43,5000 B/D 11,600 T/D

  Coal 25,000 T/D 216 PJ/yr

  8 Table 2. Perbandingan Teknologi Hydrocarb [1]

  Fuel Product Selling Price

  96,000 B/D 11,600 T/D

  Methanol Carbon

  Coal 25,000 T/D 216 PJ/yr

  1 Hydrocarb Methanol Bit.

  PJ/yr

  $/Day Energy Output

  Yrs O&M

  $/MMBtu of Total Deve- lopment time

  $ 10 ^ 6 Millions

  2.40 4 100,000 205

  Capital Cost of Plant

  Thermal Eff. (%)

  Utili- zation eff. (%)

  Output per Day Carbon

  Fuel Product

  Fuel Product

  PJ/yr Input

  Ton/Day Energy

  No. Process Feed- stock Capacity

  90 95 860

  2 Hydrocarb Methanol Store 50% C Bit.

  5 Hydrocarb Gasoline Bit.

  5.30 4 100,000

  55

  7.40 4 150,000

  25 35 1100

  0 T/D

  43,500 B/D

  Gasoline Carbon

  Coal 25,000 T/D 216 PJ/yr

  4 Hydrocarb Gasoline Store all C Bit.

  93

  27 43 860

  Coal 25,000 T/D 216 PJ/yr

  0 T/D

  96,000 B/D

  Methanol Carbon

  Coal 25,000 T/D 216 PJ/yr

  3 Hydrocarb Methanol Store all C Bit.

  3.30 4 100,000 149

  59 69 860

  96,000 B/D 5,800 T/D

  Methanol Carbon

• Efficiencies based only on fossil fuel utilization whenever biomass is coprocessed
• Unregulated Industrial Processes Fixed Charges 21.9 % on Capital, 90 % P.F. and 1989 Dollars