Percepatan Energi Global dengan Green Hydrogen Hasil Penangkapan Emisi Gas Buang CO2 Biogas

Hidrogen saat ini sedang menjadi topik utama bahasan bagi penggiat transisi energi baru terbarukan di seluruh dunia. Hal ini disebabkan oleh kemampuannya dalam bertransformasi menjadi sumber energi dengan tingkat emisi gas rumah kaca yang rendah sehingga dapat mewujudkan green and clean energy. Apabila diimplementasikan dalam skala besar, penerapan inovasi ini akan lebih menguntungkan dari segi ekonomi karena biaya produksi yang dibutuhkan lebih rendah daripada menggunakan fosil. 

Selain itu, penggunaan hidrogen juga dapat mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan bahan bakar fosil yang saat ini jumlahnya semakin menipis. Namun, ironisnya 96% produksi hidrogen yang ada di dunia saat ini masih memanfaatkan steam reforming dari gas alam. Oleh karena itu, apabila ditemukan suatu inovasi dalam memproduksi hidrogen dari energi terbarukan akan menjadi gebrakan baru di bidang energi. Salah satu potensi yang dapat dikembangkan dalam memproduksi green hydrogen adalah melalui carbon capturing pada produksi biogas.

Meskipun merupakan energi terbarukan, biogas sebagai pembangkit listrik sekaligus pengganti bahan bakar fosil masih memiliki kandungan CO yang relatif tinggi di setiap produksinya. Hal ini disebabkan oleh nilai kalor yang terbatas dan stabilitas nyala dari campuran gas yang rendah. Tulisan ini mengusulkan cara penangkapan CO2 menggunakan reaksi karbonasi dimana proses ini tidak merugikan lingkungan yaitu dalam proses penangkapan CO2 digunakan metode karbonasi Ca(OH)2 karena menghasilkan CaCO3 yang tidak berbahaya bagi lingkungan. 

Terdapat dua tahapan proses utama yang dilakukan dalam  proses produksi green hydrogen dan tenaga listrik pada inovasi ini yaitu ada SR (Steam Reforming) dan WGS (Water Gas Shift). Adapun biogas yang digunakan sebagai umpan mengandung 70% CH4, 27% CO2, 2% N2, dan 1% O2. Berikut merupakan tahapan prosesnya yang dapat dilihat dari Gambar berikut:

Berdasarkan gambar tersebut dapat diuraikan bahwa proses yang pertama yaitu steam reforming (SR). Biogas diumpankan masuk ke kompresor (CP-01) lalu dialirkan lagi untuk proses pre heating atau pemanasan awal yang dilakukan sebelum proses lebih lanjut oleh heater (HX-01). Setelah itu umpan masuk ke reaktor dan air (H20-1) diumpankan melalui pompa (P-01) untuk reaksi steam reforming (SR).

Reaksi SR ini melibatkan kesetimbangan fasa dan kesetimbangan kimia serta mempertimbangkan semua komponennya saat beroperasi pada suhu 600-800C, tekanan 1-3 bar. Setelah dilakukan proses steam reforming, gas green hydrogen akan masuk ke separator (SEP-01) untuk dipisahkan dari gas lainnya. Kemudian gas green hydrogen akan terkumpul di stream atas separator (stream nomor 8) dan dialirkan menuju mixer (MIXER-01) untuk pencampuran. 

Dari bawah separator (stream nomor 10), air (H2O-2) akan dimasukkan ke dalam reaktor WGS (Water Gas Shift). Setelahnya, air tersebut menuju heater (HX-02) untuk preheating sebelum pereaksian WGS. Reaksi WGS dalam reaktor RGibbs ini beroperasi pada suhu 200-400C dan tekanannya 1-3 bar. Setelah pereaksian, gas green hydrogen dialirkan melewati stream (nomor 15) yang didinginkan oleh cooler (COOLER-1) dan akan dilakukan pemisahan lagi di dalam separator (SEP-02). 

Lalu, gas green hydrogen yang terkumpul dalam stream (nomor 18) bagian atas separator (SEP-02) dan stream nomor 8 dari separator (SEP-01) dialirkan lagi menuju mixer (MIXER-01) untuk menghasilkan produk green hydrogen. Selanjutnya pemisahan CO2, CO, dan N2 dari stream nomor 21 ke stream nomor 23. Kemudian sisa CH4 akan digunakan sebagai prekursor untuk produksi CO2 yang mana dipisahkan untuk proses CO2 capture (carbon capture) melewati stream (nomor 24) bawah separator (SEP-04). Gas-gas lain yang sudah dipisahkan pada separator (SEP-04) dilepaskan ke atmosfer melalui aliran EXH-G1.

Perlu kita tahu bahwa pabrik perlu meminimalkan CO2 dan emisi yang disebabkan oleh proses produksi pabrik, sehingga digunakan metode CO2 capture/carbon capture dengan reaksi karbonisasi. Dimana, metode tersebut memiliki keuntungan yaitu bisa melepaskan tanpa adanya emisi gas CO2 yang dihasilkan dari proses produksi. Yang mana sebelum digunakan metode proses carbon capture, pabrik melepaskan 2.260 kg CO2/jam ke atmosfer. Dalam hal ini, carbon capture menggunakan karbonisasi lack lime. 

Pada gambar 1 tersebut, karbonisasi lack lime dilakukan dengan reaktor untuk menghasilkan CaCO3 (SOLID-W). Selain itu juga terjadi pemisahan zat yang tidak diinginkan di separator (SEP-05) dan nantinya dibuang ke atmosfer untuk kemurnian air. 

Sedangkan air setelah reaksi akan digunakan untuk proses pembangkit tenaga listrik. Lalu, untuk air yang bercampur dengan sedikit pengotor (Ca(OH)2 dan CO2) di stream nomor 30. Sedangkan air dari aliran nomor 31 dipanaskan hingga menguap melalui heater (HX-05) yang mana mendapat heat duty (Q1) dari COOLER-01. Setelahnya, uap tersebut dapat digunakan sebagai pembangkit listrik dengan turbin (TB-01). 

Berdasarkan studi pada artikel tersebut, dapat disimpulkan bahwa produksi hidrogen ramah lingkungan dan produksi tenaga listrik dari biogas 100 kmol/jam ramah lingkungan menghasilkan nol emisi saat menggunakan slack lime untuk CO2 capture, mengurangi emisi karbon dioksida hingga 95% melalui sintesis simulasi melalui Aspen Plus dan limbah padat yang dihasilkan dapat dipastikan tidak berbahaya bagi lingkungan. Persamaan kuadrat produksi green hydrogen dan produksi tenaga listrik memiliki presisi (%) masing-masing sebesar 99,19% dan 99,82%. 

Oleh karena itu, optimalisasi nilai suhu, tekanan, dan rasio mol S/C dalam penelitian tersebut menghasilkan produksi green hydrogen dan produksi tenaga listrik yang lebih tinggi sekitar 54,67 kmol/jam dan 122,97 kWh dengan kinerja yang lebih unggul dibandingkan dengan nilai awal. Hasil sensitivitas untuk variabel independen dan dependen menunjukkan bahwa rasio mol S/C yang lebih tinggi akan menyebabkan hasil hidrogen dan produksi tenaga listrik yang lebih tinggi, yang lebih jelas pada suhu tinggi daripada suhu rendah dalam hal reaksi SR. 

Gain (%/%) reaktor SR adalah 5,242439, dan untuk reaktor WGS adalah 24,57989. Waktu integral (min) reaktor SR adalah 0,600064, dan untuk reaktor WGS adalah 0,600155. Setelah menggunakan parameter tuning, reaktor SR dan reaktor WGS dapat mempertahankan sistem lebih cepat.