Analisis Exergy pada Proses Torefaksi Cangkang Kelapa Sawit sebagai Upgrading Bahan Bakar untuk Pembangkit Listrik Biomassa

APERO FUBLIC  I  OPINI.-  Di tengah upaya global dalam menekan emisi karbon dan mempercepat transisi menuju sistem energi berkelanjutan, Indonesia masih menghadapi tantangan ketergantungan yang tinggi terhadap batubara sebagai sumber energi utama.

Di sisi lain, Indonesia justru memiliki sumber energi terbarukan yang melimpah dari sektor perkebunan, salah satunya limbah kelapa sawit yaitu cangkangnya (palm kernel shell/PKS) muncul sebagai bahan bakar potensial yang dapat ditingkatkan kualitasnya.

Data dari GAPKI tahun 2023, Indonesia menghasilkan sekitar 50 juta ton CPO setiap tahunnya, dengan tambahan produksi PKO sekitar 4,77 juta ton.

Dari jumlah tersebut dihasilkan limbah biomassa lebih dari 100 juta ton, dengan cangkang sawit sekitar 6-7 juta ton/tahun. Sebagian besar PKS saat ini memanfaatkan sebagai bahan bakar boiler di pabrik kelapa sawit atau dijual sebagai bahan bakar biomassa untuk industri energi.

Cangkang kelapa sawit memiliki nilai kalor awal (HHV) sekitar 18-20 MJ/kg yang mendekati batubara kualitas rendah. Selain itu, PKS memiliki kadar air yang relatif lebih rendah dibandingkan biomassa kelapa sawit lainnya seperti tandan kosong kelapa sawit (EFB).

Kadar air PKS umumnya berada pada kisaran 10-15%, sedangkan EFB dapat memiliki kadar air lebih dari 50%. Karakteristik tersebut membuat PKS lebih stabil dalam penyimpanan serta lebih mudah digunakan sebagai bahan bakar biomassa.

Meski demikian, biomassa secara umum masih memiliki beberapa keterbatasan seperti densitas energi yang lebih rendah dibanding batubara serta karakteristrik bahan bakar yang kurang stabil selama penyimpanan.

Oleh karena itu diperlukan teknologi upgrading biomassa untuk meningkatkan kualitas bahan bakar tersebut. Salah satu teknologi yang banyak dikembangkan adalah torefaksi.

Analisis yang umum digunakan dalam mengevaluasi proses peningkatan kualitas biomassa adalah analisis energi.

Namun, analisis energi hanya menilai jumlah energi tanpa mempertimbangkan kualitas energi tersebut. Oleh karena itu, analisis exergy menjadi lebih relevan karena mampu mengevaluasi baik kuantitas maupun kualitas energi serta mengidentifikasi sumber irreversibilitas dalam suatu proses termodinamika.

Torefaksi merupakan proses pemanasan biomassa pada suhu relatif rendah (200-300°C) dalam kondisi minim oksigen, dimana waktu yang digunakan selama 20-60 menit tergantung pada karakteristik biomassa dan kondisi operasi reaktor.

Proses ini sering disebut sebagai mild pyrolysis karena hanya menghilangkan komponen volatil ringan tanpa merusak struktur utama karbon.

Selama proses, biomassa akan mengalami dekomposisi terutama pada komponen hemiselulosa yang merupakan fraksi paling reaktif terhadap pemanasan. Dekomposisi hemiselulosa menghasilkan pelepasan berbagai senyawa volatil seperti uap, air, karbon dioksida (CO2), karbon monoksida (CO), serta senyawa organik ringan lainnya.

Akibat pelepasan komponen volatil tersebut, fraksi karbon dalam biomassa menjadi lebih terkonsentrasi sehingga meningkatkan nilai kalor bahan bakar. Produksi biomassa yang dihasilkan adalah bio-coal, yaitu biomassa padat yang memiliki karakteristik menyerupai batubara.

Bio-coal umumnya memiliki beberapa karakteristrik utama, diantaranya densitas energi yang lebih tinggi, sifat hidrofobik yang lebih baik, kemudahan penggilingan, dan stabilitas penyimpanan yang lebih tinggi. Ini yang membuat hasil torefaksi lebih sesuai digunakan sebagai bahan bakar dalam sistem pembangkit listrik.

Secara kuantitatif, proses torefaksi mampu meningkatkan nilai kalor cangkang sawit secara signifikan dari nilai awal sekitar 19 MJ/kg menjadi 22-26 MJ/kg. Kenaikan ini setara dengan peningkatan energi sebesar 15-30%, mendekati bahkan melampaui beberapa jenis batubara sub-bituminus.

Namun, peningkatan kualitas ini disertai oleh penurunan massa. Selama proses torefaksi, biomassa kehilangan sekitar 20-30% massanya akibat pelepasan air dan senyawa volatil. Dengan itu, massa yield berada di 70-80% dan energi yield tetap relatif tinggi, sekitar 85-95% karena energi yang hilang jauh lebih kecil dibandingkan massa yang berkurang.

Sebagai ilustrasi, jika 1000 kg cangkang sawit dengan nilai kalor 19 MJ/kg diproses melalui torefaksi, maka energi awalnya adalah 19.000 MJ. Jika energi yield mencapai 90%, maka energi yang tersisa dalam biomassa sekitar 17.100 MJ.

Dengan massa akhir sekitar 750 kg, nilai kalor efektif meningkat menjadi lebih dari 22 MJ/kg, yang menunjukkan adanya peningkatan kualitas energi bahan bakar.

Dalam termodinamika, exergy didefinisikan sebagai jumlah maksimum kerja yang dapat dihasilkan oleh suatu sistem ketika mencapai keadaan kesetimbangan dengan lingkungan sekitarnya.

Berbeda dengan energi yang selalu terkonversi, exergy dapat mengalami destruksi akibat adanya irreversibilitas dalam suatu proses. Oleh karena itu, analisis exergy mampu memberi gambaran yang lebih akurat mengenai kualitas energi dalam suatu sistem.

Pada biomassa padat, exergy umumnya terdiri dari dua komponen utama, diantaranya : chemical exergy, berkaitan dengan komposisi kimia biomassa seperti kandungan karbon, hidrogen, dan oksigen. Physical exergy, berkaitan dengan perbedaan temperature dan tekanan sistem terhadap lingkungan.

Sebagian besar sistem biomassa, chemical exergy merupakan komponen dominan dari total exergy bahan bakar. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa nilai chemical exergy berada pada 90-95% dari nilai kalor bahan bakar, meskipun nilai ini dapat bervariasi tergantung pada komposisi unsur biomassa.

Selama proses torefaksi, tidak seluruh exergy yang tersedia dapat dimanfaatkan secara optimal, sebagian akan hilan akibat berbagai sumber irreversibilitas dalam sistem. Kehilangan tersebut dikenal sebagai exergy destruction, merupakan indikator utama inefisiensi termodinamika suatu proses.

Beberapa sumber utama kehilangan exergy pada proses torefaksi, yakni heat loss akibat perpindahan panas ke lingkungan, irreversibilitas reaksi kimia selama dekomposisi biomassa, dan mass loss akibat pelepasan senyawa volatil selama pemanasan. Kehilangan exergy terbesar biasanya terjadi selama tahap dekomposisi hemiselulosa dan lignin yang menghasilkan gas volatil (CO, CO2, dll).

Dilihat dari sisi pengaplikasiannya, biomassa hasil torefaksi memiliki keunggulan signifikan untuk pembangkit listrik karena sifatnya lebih kering, lebih rapuh, dan lebih hidrofobik sehingga lebih mudah digiling, disimpan, serta diangkut. Selain itu, biomassa ini dapat digunakan sebagai bahan bakar co-firing di PLTU tanpa memerlukan modifikasi besar pada sistem pembakaran.

Jika diasumsikan Indonesia memproduksi 6 juta ton cangkang sawit/tahun dan nilai kalor rata-rata setelah proses sekitar 24 MJ/kg, maka energi totalnya sekitar 144 juta GJ/tahun. Bila energi dikonversi menjadi listrik dengan efisiensi pembangkit sekitar 30% pada sistem boiler PLTU, maka energi listrik yang dihasilkan sebesar 43,2 juta GJ listrik.

Karena 1 MWh 3,6 GJ, jadi potensi listrik yang dihasilkan sekitar 12 juta MWh/tahun. Nilai ini setara dengan kapasitas pembangkit listrik 1200 MW, yang membuktikan potensi besar biomassa cangkang sawit sebagai sumber energi terbarukan di Indonesia.

Hal ini menunjukkan bahwa proses torefaksi terbukti mampu meningkatkan kualitas energi cangkang kelapa sawit melalui peningkatan nilai kalor dan densitas energi biomassa.

Biomassa hasil torefaksi juga memiliki sifat hidrofobik yang lebih baik serta mudah digiling sehingga lebih kompatibel digunakan sebagai bahan bakar pada sistem pembangkit listrik. Dilihat dari perspektif termodinamika, analisis exergy memiliki efisiensi yang relatif tinggi meski tetap terjadi kehilangan akibat irreversibilitas proses.

Dengan potensi produksi cangkang kelapa sawit yang besar di Indonesia, teknologi torefaksi berpotensi memberi kontribusi signifikan terhadap pengembangan energi biomassa nasional.

Oleh karena itu, teknologi torefaki dengan sistem co-firing pada PLTU maupun teknologi gasifikasi biomassa menjadi salah satu strategi dalam mendukung transisi menuju sistem energi yang lebih bersih dan berkelanjutan.

PENULIS :  Zefanya Serepina Sirait

Mahasiswi Institut Teknologi Sawit Indonesia.

Editor. Tim Redaksi