Prospek Energi dari Sekam Padi dengan Teknologi Fluidized Bed Combustion

Disamping untuk mendapatkan sumber energi baru, usaha yang terus menerus dilakukan dalam rangka mengurangi emisi CO2 guna mencegah terjadinya pemanasan global telah mendorong penggunaan energi biomasa sebagai pengganti energi bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Bahan bakar biomasa merupakan energi paling awal yang dimanfaatkan manusia dan dewasa ini menempati urutan keempat sebagai sumber energi yang menyediakan sekitar 14% kebutuhan energi dunia.

Seperti halnya sekam padi, biomasa mengkonsumsi CO2 selama proses pertumbuhan dan dalam jumlah yang sama akan dilepas selama proses konversi energi, sehingga biomasa dikenal sebagai energi bebas CO2. Energi terbaharukan yang bersumber dari sekam padi telah lama dilirik penggunaannya dan bahkan telah dikonversi menjadi listrik di beberapa negara seperti China dan India. Salah satu alasan kenapa bahan bakar sekam padi masih jarang dipakai sebagai sumber energi yaitu karena kekurang-cukupan informasi tentang karakteristik dan emisi yang dihasilkannya. Artikel pendek ini berisikan bahasan singkat tentang prospek sekam padi dijadikan energi dengan memakai teknologi fluidized bed combustion (FBC).

1. Energi potensial pada sekam padi

Sekam padi adalah salah satu sumber energi biomasa yang dipandang penting untuk menanggulangi krisis energi belakangan ini khususnya di daerah pedesaan. Ketersediaan sekam padi di hampir 75 negara di dunia diperkirakan sekitar 100 juta ton dengan energi potensial berkisar 1,2 x 10⁹ GJ/tahun dan mempunyai nilai kalor rata-rata 15 MJ/kg ^1]. Indonesia sebagai negara agraris mempunyai sekitar 60.000 mesin penggiling padi yang tersebar di seluruh daerah dengan kisaran produksi sekam padi 15 juta ton per tahun. Untuk kapasitas besar, beberapa mesin penggiling padi mampu memproduksi 10-20 ton sekam padi per hari.

Tidak seperti sumber bahan bakar fosil, ketersedian energi sekam padi tidak hanya jumlahnya berlimpah tetapi juga merupakan energi terbaharukan. Beberapa sumber energi biomasa mempunyai kendala akan besarnya biaya investasi untuk pengumpulan, transportasi dan penyimpanan. Akan tetapi untuk energi sekam padi, biaya-biaya diatas relatif lebih kecil karena lokasinya sudah terkonsentrasi pada pabrik-pabrik penggilingan padi. Jika suatu teknologi tersedia, bahan bakar sekam padi ini akan bisa dikonversi menjadi energi thermal untuk kebutuhan tenaga listrik di daerah pedesaan.

2. Sifat dan karakteristik sekam padi

Dibandingkan bahan bakar fosil, sifat dan karakteristik bahan bakar biomasa lebih kompleks serta memerlukan persiapan dan pemrosesan yang lebih khusus. Sifat dan karakteristik meliputi berat jenis yang kecil sekitar 122 kg/m³, jumlah abu hasil pembakaran yang tinggi dengan temperatur titik lebur abu yang rendah. Abu hasil pembakaran berkisar antara 16-23% dengan kandungan silika senbesar 95%^2]. Titik lebur yang rendah disebabkan oleh kandungan alkali dan alkalin yang relatif tinggi. Kandungan uap air (moisture) pada biomasa umumnya lebih tinggi dibandingkan bahan bakar fosil, akan tetapi kandungan uap air pada sekam padi relatif sedikit karena sekam padi merupakan kulit padi yang kering sisa proses penggilingan. Sekam padi mempunyai panjang sekitar 8-10 mm dengan lebar 2-3 mm dan tebal 0,2 mm.

Karakteristik lain yang dimiliki bahan bakar sekam padi adalah kandungan zat volatil yang tinggi (high-volatile matter) yaitu zat yang mudah menguap. Kandungan zat volatilnya berkisar antara 60-80% dimana bahan bakar fosil hanya mempunyai 20-30% untuk jenis batu bara medium. Energi konversi yang dihasilkan lebih banyak berasal dari zat volatil ini dibandingkan dengan bara api (solid residue) biomasa ^3].

Uap air adalah komponen zat volatil pertama yang muncul sesaat setelah temperatur mencapai 100^oC untuk rentang temperatur operasi sampai 900^oC. Selanjutnya, komponen H₂, CO, dan CO₂ akan terbentuk bersamaan dengan formasi hidrokarbon dalam jumlah yang banyak seperti CH₄ sampai tar. Biasanya, jelaga (soot) akan terbentuk selama proses divolitisasi dimana elemen N dan S akan muncul dalam bentuk NH₃, HCn, CH₃CN, H₂S, COS dan CS_2. Kalau terjadi ketidaksempurnaan pembakaran sebagai akibat cepatnya evolusi zat volatile akan mengakibatkan deposisi tar, formasi dioxin di backpass dan atmosfir seperti NOx, CO, SO₂ dan N₂O ^4].

3. Teknologi Fluidized Bed Combustion

Teknologi fluidized bed combustion (FBC) adalah salah satu teknologi terbaik untuk menkonversi sekam padi menjadi listrik karena mempunyai keunggulan mengkonversi berbagai jenis bahan bakar baik sampah, limbah, biomasa ataupun bahan bakar fosil berkalori rendah. FBC mempunyai temperatur pengoperasian antara 800-900^oC sehingga merupakan teknologi yang ramah lingkungan. Teknologi ini telah diperkenalkan sejak abad keduapuluhan dan telah diaplikasikan dalam banyak sektor industri dan pada tahun-tahun belakangan ini telah diaplikasikan untuk mengkonversi biomasa menjadi energi. Efisiensi pembakaran yang lebih tinggi bisa diperoleh dari teknologi FBC dibandingkan dengan sistem pembakaran konvensional karena perpindahan panas yang sangat bagus di dalam sistem.

Pada proses pengkoversian energi dengan teknologi FBC, awalnya ruang bakar dipanasi secara eksternal sampai mendekati temperatur operasi. Material hamparan (bed material) fluidisasi yang lumrah dipakai untuk mengabsorbi panas adalah pasir silika. Pasir silika dan bara api bahan bakar bercampur dan mengalami turbulensi di dalam ruang bakar sehingga keseragaman temperatur sistem menjadi terjaga. Pada temperatur yang tinggi dengan media transfer panas pasir silika akan mampu memberi garansi konversi energi yang cepat dengan kondisi temperatur isothermal. Selanjutnya, dengan bidang kontak panas yang luas disertai turbulensi partikel fluidisasi yang cepat menyebabkan FBC teknologi bisa diaplikasikan untuk mengkonversi segala jenis bahan bakar bahkan dengan ukuran yang tidak seragam seperti bahan bakar sekam padi. Gambar skematik FBC bisa dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Skematik diagram FBC untuk bahan bakar sekam padi

Kwalitas fluidisasi adalah faktor paling utama yang mempengaruhi efisiensi sistem FBC. Umumnya, sekam padi sangat sulit difuidisasi mengingat bentuknya yang silindris, berupa butiran dan berlapis. Beberapa penelitian untuk mengkontrol kwalitas fluidisasi telah dilakukan dengan merubah kecepatan masuk fluidisasi pada limit tertentu sesuai dengan besarnya ukuran partikel pentransfer panas yang digunakan.

4. Peningkatan performansi FBC sekam padi

Bila bahan bakar sekam padi dimasukkan pada ruang pembakaran FBC, evolusi zat volatil akan terjadi sangat cepat. Ini dikarenakan oleh tingginya laju perpindahan panas oleh material hamparan di dalam ruang bakar sehingga zat volatil hanya berevolusi di sekitar tempat pemasukan bahan bakar (fuel feed point). Karena ketidakcukupan oksigen di bagian atas ruang bakar (freeboard) maka pembakaran sempurna sering tidak terwujud. Formasi hidrokarbon sering terjadi dan diantisipasi akan memunculkan dioksin pada gas buang. Evolusi volatil secara lokal juga menyebabkan temperatur sangat tinggi di sembarang tempat pada ruang bakar dan kondisi ini akan menyebabkan formasi NOx.

Keseragaman temperatur pada sistem pembakaran adalah hal yang sangat penting untuk menjaga kestabilan pembakaran disamping berguna untuk mengurangi emisi dari polutan seperti hidrokarbon dan NOx sebagai akibat hasil pembakaran yang tidak sempurna. Untuk mecapai hal tersebut, usaha-usaha telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti seperti: menurunkan temperatur operasi dan mengurangi kecepatan gas fluidisasi untuk memperkecil laju pemanasan selama pembakaran ^4]; mengontrol volume pemasukan bahan bakar supaya fluktuasi evolusi zat volatil menjadi menurun ^5]; memasang penyekat (baffle) di ruang atas reaktor agar pencampuran udara dengan zat volatil meningkat ^6].

Cara lain untuk menghindari hal tersebut yaitu dengan menggunakan partikel yang berpori seperti pasir alumina sebagai pengganti pasir silika yang biasa digunakan sebagai media partikel yang difluidisasi^7,8,9]. Dengan menggunakan media berpori maka hidrokarbon akan tertangkap pada pori-pori partikel seperti terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Hidrokarbon (HC) terperangkap di dalam pori sebagai karbon deposit

Karbon yang tertangkap akan terfluidisasi bersama material hamparan ke seluruh ruang reaktor sehingga terjadi pencampuran yang baik yang menyebabkan formasi stoikimetrik dan temperatur pengoperasian pada reaktor menjadi seragam. Hal ini akan mengakibatkan dioksin dan emisi menjadi berkurang dan juga mampu meningkatkan konversi karbon menjadi energi sehinga efisiensi sistem meningkat. Konversi karbon lebih banyak terjadi ketika pasir alumina MS yang berpori dipakai sebagai material hamparan dibandingkan pasir silika QS seperti ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Perbandingan konversi karbon pada MS dengan QS

Keutamaan lain dari penggunaan partikel berpori adalah untuk menghindari penggumpalan/aglomerasi antara abu hasil pembakaran dengan partikel pasir silika yang biasa digunakan sebagai media pentransfer panas. Aglomerasi terjadi karena bahan bakar biomasa mengandung alkalin yang bisa bersenyawa dengan silika membentuk ikatan yang kalium silikat. Aglomerasi harus dihindari karena akan mengganggu fluidisasi dan bahkan pada kejadian paling buruk akan menyebabkan sistem berhenti secara mendadak. Tabel 1 menunjukkan aglomerasi tidak terjadi dan jumlah karbon yang terbakar lebih banyak bila menggunakan pasir alumina yang berpori MS dibandingkan dengan pasir silika QS^8].

Table 1. Total jumlah karbon yang terbakar dan aglomerasi yang terjadi

5. Kesimpulan

Karakteristik yang melemahkan bahan bakar sekam padi untuk dijadikan energi antara lain tingginya kandungan zat yang mudah menguap dengan titik lebur abu hasil pembakaran yang rendah. Hal ini akan berdampak pada performasi sistem seperti; tidak meratanya temperatur pada ruang bakar dan terjadinya penggumpalan abu hasil pembakaran yang menyebabkan kegagalan mesin yang sedang beroperasi. Teknologi FBC telah banyak diaplikasikan dan terbukti sangat efektif untuk menkonversi biomasa, limbah dan sampah menjadi energi yang bersih dan ramah lingkungan. FBC berbahan bakar sekam padi bisa ditingkatkan performansinya salah satunya dengan menggunakan pasir alumina berpori yang berfungsi untuk meningkatkan jumlah karbon yang terbakar sehingga efisiensi meningkat dan juga untuk menghindari aglomerasi. Artikel ini diharapkan dapat memberikan tambahan masukan yang berharga akan kelayakan sekam padi bila digunakan sebagai energi listrik.