Hidrogen dan Dekarbonisasi Produksi Baja

Hidrogen dan Dekarbonisasi Produksi Baja

Penggerak utama untuk masa depan energi berkelanjutan berpusat pada kebutuhan untuk (i) mengurangi emisi karbon dioksida (CO2) global dan meningkatkan kualitas udara, (ii) memastikan keamanan pasokan energi dan bergerak menuju penggunaan sumber daya energi berkelanjutan, dan ( iii) menciptakan basis energi industri dan teknologi baru, yang penting bagi perekonomian masa depan. Semua penilaian modern masa depan energi global berpandangan bahwa pertumbuhan permintaan akan semakin dipenuhi oleh campuran energi yang beragam yang mencakup sumber energi terbarukan atau berkelanjutan.

Pertumbuhan kepedulian lingkungan yang nyata menyediakan salah satu kekuatan pendorong utama menuju pengembangan energi yang berkelanjutan. Yang terkemuka di antara kekhawatiran ini adalah masalah pelepasan dan akumulasi CO2 ke atmosfer dan gas-gas pengubah iklim lainnya. Emisi ini sekarang tak terbantahkan jauh di atas tingkat pra-industri dan dianggap bertanggung jawab untuk menaikkan suhu global (rata-rata) melalui efek gas rumah kaca (GRK). Kecuali ada pengurangan drastis dalam jumlah CO2 yang dilepaskan ke lingkungan melalui berbagai kegiatan, akan ada konsekuensi yang berpotensi membawa bencana bagi iklim global. Kekhawatiran tersebut tidak diragukan lagi mengubah cara penilaian dan penggunaan energi dan pembawanya, menggeser keseimbangan dari basis hidrokarbon tradisional menuju sumber energi terbarukan atau berkelanjutan.

Hidrogen merupakan bahan bakar alternatif yang menarik. Namun, tidak seperti batu bara, gas atau minyak, itu bukan sumber energi utama. Sebaliknya, perannya lebih mencerminkan listrik sebagai 'pembawa energi' sekunder, yang pertama-tama diproduksi menggunakan energi dari sumber lain dan kemudian diangkut untuk penggunaan masa depan di mana energi kimia laten dapat direalisasikan sepenuhnya.

Hidrogen menjanjikan masa depan energi global yang benar-benar berkelanjutan. Ketertarikan pada hidrogen sebagai cara memberikan layanan energi telah berkembang dalam beberapa tahun terakhir sebagai tanggapan atas meningkatnya kekhawatiran tentang dampak lingkungan dari penggunaan energi dan kekhawatiran tentang keamanan pasokan bahan bakar fosil. Hidrogen adalah pembawa energi yang terkenal, serbaguna, dan bersih yang banyak digunakan di industri. Sebagian besar teknologi yang terkait dengan hidrogen memiliki sejarah panjang. Rekam jejak industri menggunakan hidrogen serta penggunaan hidrogen saat ini untuk beberapa aplikasi menunjukkan keamanannya. Hidrogen menawarkan beberapa pilihan untuk produksi, distribusi, dan penggunaan. Penggunaannya saat ini dapat diperluas dengan aman ke penggunaan lain.

Hidrogen, sebagai pembawa energi, pada prinsipnya dapat menggantikan semua bentuk energi final yang digunakan saat ini. Ini dapat menyediakan layanan energi untuk semua sektor ekonomi. Ini memiliki potensi keuntungan lingkungan dibandingkan bahan bakar fosil. Pada titik penggunaan, hidrogen dapat dibakar sedemikian rupa sehingga tidak menghasilkan emisi yang berbahaya. Jika hidrogen diproduksi tanpa memancarkan CO2 apa pun, maka hidrogen dapat membentuk dasar dari sistem energi yang benar-benar berkelanjutan yang dikenal sebagai ekonomi hidrogen.

Hidrogen telah mengalami siklus harapan yang tinggi diikuti oleh kenyataan yang tidak praktis. Penurunan harga energi terbarukan, dan persyaratan peraturan yang ketat akibat perubahan iklim menyebabkan pergeseran paradigma yang saat ini terjadi dari ekonomi karbon ke ekonomi hidrogen di seluruh dunia. Namun, transisi ke ekonomi hidrogen tidak akan terjadi dalam semalam karena memerlukan strategi dan upaya khusus.

Hidrogen adalah unsur pertama dalam tabel periodik. Ini adalah yang paling ringan, paling melimpah, dan salah satu unsur kimia tertua di alam semesta. Di bumi, hidrogen ditemukan dalam molekul yang lebih kompleks, seperti air atau hidrokarbon. Hidrogen, untuk penggunaannya dalam bentuk murni, harus diekstraksi. Api hidrogen tidak berwarna dan tidak berbau. Perlu penambahan pewarna dan pewangi agar terlihat dan dapat dideteksi. Lebih lanjut, hidrogen memiliki molekul yang lebih kecil daripada gas alam, sehingga lebih mudah bocor. Karakteristik hidrogen ini dapat menjadi masalah khusus di mana kebocoran hidrogen dapat menyebabkan penumpukan konsentrasi hidrogen di ruang tertutup.

Hidrogen dapat memainkan peran penting dalam dekarbonisasi industri global. Dalam situasi hari ini, ekonomi hidrogen adalah prioritas. Emisi CO2 nol bersih membutuhkan penghentian penuh bahan bakar fosil. Dampak iklim dari hidrogen bergantung sepenuhnya pada cara pembuatannya. Untuk mengendalikan perubahan iklim global, hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis air yang ditenagai oleh energi terbarukan sangat diperlukan untuk netralitas iklim. Namun, transisi ke ekonomi hidrogen membutuhkan investasi dalam jumlah besar dalam infrastruktur baru untuk memproduksi, mengangkut, menyimpan, dan mengirimkan hidrogen ke pengguna akhir.

Ada konsensus yang berkembang yang mengakui kebutuhan untuk menargetkan emisi nol bersih pada tahun 2050 untuk membatasi kenaikan suhu global 1,5 derajat C di atas tingkat pra-industri. Untuk mencapainya, perlu dicari cara untuk menggantikan bahan bakar fosil yang saat ini memenuhi empat perlima kebutuhan energi global. Untuk membatasi kenaikan suhu pada 1,5 derajat C akibat pemanasan global, hidrogen secara konsisten memainkan peran sentral sebagai pembawa energi. Hidrogen sebagai pembawa energi memainkan peran yang sebanding dengan yang sekarang dimainkan oleh batu bara, minyak, atau gas dalam ekonomi karbon. Proses industri yang digunakan dalam produksi baja, semen, kaca, dan bahan kimia semuanya membutuhkan panas suhu tinggi. Saat ini, panas ini dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil. Untuk sektor industri CO2 yang sulit dikurangi ini, pada dasarnya tidak ada cara untuk mencapai emisi nol bersih pada skala yang dibutuhkan tanpa menggunakan hidrogen.

Kegagalan untuk mendekarbonisasi ekonomi bukanlah pilihan yang tersedia saat ini. Dalam jangka panjang, hidrogen bersama dengan energi terbarukan yang dihasilkan memiliki kemampuan untuk memberikan solusi untuk mendekarbonisasi sektor yang sulit dikurangi seperti sektor baja. Namun, ada beberapa tantangan yang harus diatasi.

Hidrogen adalah bahan kimia dasar yang sangat serbaguna yang dapat digunakan baik sebagai sumber energi dan sebagai bahan baku untuk proses industri, seperti produksi amonia untuk pupuk, dalam pemurnian serta untuk industri makanan, elektronik, kaca, dan logam. Namun, penggunaan hidrogen sebagai sumber energi sangat penting untuk dekarbonisasi ekonomi. Bukti baru menunjukkan bahwa hidrogen memiliki peran potensial yang penting untuk dimainkan dalam mengurangi emisi dari panas industri, terutama di mana nyala api (dan gas pembakaran selanjutnya) perlu bersentuhan langsung dengan bahan atau produk yang dihasilkan (misalnya di tungku dan kiln).

Hidrogen memiliki sejumlah karakteristik yang bermanfaat. Ini dapat diproduksi dalam berbagai cara rendah karbon dan penggunaannya, baik melalui pembakaran atau reaksi elektro-kimia dalam sel bahan bakar, tidak menghasilkan emisi GRK. Dalam sel bahan bakar, penggunaan hidrogen tidak menghasilkan emisi polutan udara karena satu-satunya produk sampingan adalah air. Ini secara signifikan meningkatkan kualitas udara dibandingkan dengan bahan bakar fosil yang digantikannya.

Pembakaran hidrogen dapat menghasilkan suhu tinggi, artinya dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil yang membutuhkan panas dengan suhu lebih tinggi, sebagai contoh dalam aplikasi industri. Namun, karena hidrogen terbakar pada suhu yang lebih tinggi, nitrogen oksida (NOx), yang merupakan polutan berbahaya, dapat menjadi masalah.

Meskipun hidrogen secara signifikan kurang padat energi daripada bahan bakar fosil, ketika dikompresi, ia memiliki kepadatan energi tinggi yang signifikan. Ini dapat disimpan dalam volume besar, dengan jumlah yang dapat bertahan selama berbulan-bulan, bukan berjam-jam atau berhari-hari. Selanjutnya, sebagai gas yang dapat dimampatkan, hidrogen dapat dikirim dengan kecepatan tinggi melalui jalur pipa.

Hidrogen, sebagai pembawa energi, dalam beberapa hal mirip dengan listrik. Keduanya harus dihasilkan daripada terjadi dalam bentuk yang berguna dan dapat diekstraksi seperti untuk bahan bakar fosil. Ini dapat diproduksi dalam berbagai metode rendah karbon baik melalui elektrolisis berdasarkan listrik rendah karbon atau melalui penerapan penangkapan dan penyimpanan atau pemanfaatan karbon (CCS/U) yang dikombinasikan dengan gasifikasi atau reformasi hidrokarbon (misalnya biomassa, gas alam) .

Hidrogen dapat disimpan dan didistribusikan dalam beberapa cara. Hidrogen memiliki kepadatan energi (gravimetri) yang tinggi. Pilihan transportasi sebanding dengan pembawa energi fosil dan termasuk transportasi truk gas / cair, transportasi kapal, dan pemompaan gas hidrogen melalui pipa. Memadukan ke dalam jaringan gas alam yang ada juga dimungkinkan, dan dapat menjadi penting, terutama selama masa transisi. Ada beberapa opsi penyimpanan yang beberapa di antaranya masih dalam tahap pengembangan.

Pergeseran ke metode produksi hidrogen yang berkelanjutan untuk proses industri sangat bergantung pada semakin dikenalnya bahan bakar hijau serta harga yang sesuai untuk produk industri hijau, yang dapat terwujud melalui harga karbon yang memadai dan kerangka peraturan. Penggunaan hidrogen hijau dalam proses industri juga memberikan keuntungan dalam berkontribusi terhadap permintaan hidrogen skala besar dan akibatnya menurunkan biaya produksi, yang pada gilirannya dapat berdampak positif pada sektor lain seperti mobilitas.

Hidrogen bukanlah sumber energi tetapi pembawa energi. Itu harus diproduksi dan disimpan sebelum digunakan. Molekul gas hidrogen yang menyimpan energi dapat memulihkannya baik dengan membakarnya atau melalui sel bahan bakar. Pembakaran satu kilogram hidrogen melepaskan energi tiga kali lebih banyak daripada satu kilogram bensin dan hanya menghasilkan air. Dalam kasus sel bahan bakar, energi kimia hidrogen dan oksigen diubah menjadi listrik melalui sepasang reaksi redoks (reduksi-oksidasi). Produk limbah dari reaksi tersebut adalah air.

Dampak pengurangan CO2 dari hidrogen ditentukan oleh kombinasi jejak CO2 tentang bagaimana hidrogen diproduksi dan emisi dari aktivitas di mana hidrogen digunakan. Emisi CO2 yang terkait dengan produksi hidrogen terkait erat dengan teknologi yang digunakan dan struktur jaringan listrik yang menyediakan daya untuk proses tersebut. Dekarbonisasi produksi hidrogen saat ini merupakan tantangan, tetapi akan berdampak positif pada emisi CO2 dan dapat memainkan peran penting dalam mewujudkan penurunan biaya. Selain itu, biaya produksi hidrogen dari elektrolisis energi terbarukan diperkirakan akan turun.

Pada dasarnya ada dua kategori proses produksi hidrogen. Salah satunya adalah yang mengekstraksi hidrogen dari air dengan listrik (yaitu elektrolisis), dan yang kedua adalah yang memanfaatkan bahan bakar fosil sebagai sumber energi dan/atau hidrogen. Saat mengekstraksi hidrogen dengan atau dari bahan bakar fosil, seperti gas alam, minyak atau batu bara, emisi CO2 berlabuh dalam reaksi kimia yang dikatalisis. Jika listrik digunakan untuk menjalankan proses elektrolisis, emisi terkait disebabkan oleh intensitas CO2 dari sumber listrik.

Sumber energi yang digunakan dan metode yang digunakan untuk produksi hidrogen menentukan apakah hidrogen secara informal dianggap sebagai hidrogen abu-abu, biru, atau hijau. Saat ini sekitar 96% hidrogen diproduksi dari bahan bakar fosil melalui proses intensif karbon. Hidrogen yang dihasilkan oleh proses ini dikenal sebagai hidrogen abu-abu. Dua proses utama adalah reformasi metana dengan uap dan gasifikasi batubara. Ketika karbon dioksida yang dipancarkan selama produksi hidrogen oleh kedua proses ini diasingkan melalui penangkapan dan penyimpanan atau pemanfaatan karbon (CCS/U) maka hidrogen yang dihasilkan dikenal sebagai hidrogen biru. CCS/U pada aset hidrogen memiliki kisaran tingkat penangkapan setinggi 90% dan ini membuat rute produksi ini cukup efektif dari perspektif gas rumah kaca.

Hidrogen rendah atau nol emisi yang dihasilkan oleh proses elektrolisis menggunakan energi listrik yang dihasilkan dengan sumber daya terbarukan dikenal sebagai hidrogen hijau. Ada kode warna lain. Hidrogen, ketika diproduksi oleh elektroliser yang disuplai oleh listrik dari pembangkit listrik tenaga nuklir dikenal sebagai hidrogen kuning (atau ungu). Produksi hidrogen menggunakan elektrolisis air saat ini sangat minim, karena membutuhkan listrik dalam jumlah besar dan biaya yang mahal. Teknologi ini biasanya hanya digunakan untuk menghasilkan hidrogen dengan kemurnian sangat tinggi.

Masalah tambahan terkait dengan elektrolisis adalah konsumsi air. Konsumsi air murni umumnya berkisar antara 10 liter hingga 15 liter per kilogram keluaran hidrogen, dan air masukan perlu dideionisasi. Jika tidak ada sumber air tawar, pilihannya mencakup desalinasi air laut atau pemulihan air limbah.

Tiga jalur utama untuk menghasilkan hidrogen tanpa emisi adalah (i) melalui steam methane reforming (SMR), menggunakan bio-metana, atau dikombinasikan dengan CCS/U, (ii) melalui elektrolisis menggunakan listrik yang dihasilkan oleh energi terbarukan, dan (iii) melalui gasifikasi biomassa. Sementara SMR dan elektrolisis adalah teknologi yang matang, gasifikasi biomassa dan SMR dengan CCS/U masih dalam pengembangan. Saat ini, hampir seluruh produksi hidrogen melalui reformasi bahan bakar fosil, karena saat ini merupakan jalur yang paling ekonomis.

Mengenai jalur hidrogen biru, konsumsi air merupakan aspek yang sering diabaikan. Jalur hidrogen biru mengkonsumsi sejumlah besar air, dan dalam beberapa kasus bahkan lebih tinggi dari proses elektrolisis. Saat membandingkan air yang terkandung mengikuti inventaris siklus hidup, hasil menunjukkan bahwa konsumsi air per kilogram hidrogen dapat mencapai 24 liter untuk proses SMR dan 38 liter untuk proses gasifikasi batubara.

Jalur tambahan yang terkadang disebut pirus (biru kehijauan) hidrogen masih dalam tahap TRL (tingkat kesiapan teknologi). Ini terdiri dari pirolisis metana. Berbagai solusi teknologi saat ini sedang dikembangkan di beberapa lokasi di seluruh dunia. Dalam prosesnya, gas alam digunakan sebagai bahan baku, sedangkan konsumsi energinya berasal dari listrik, diduga dari sumber rendah karbon. Metana dipecah pada suhu tinggi menjadi hidrogen dan karbon padat (juga disebut karbon hitam). Gambar 1 menunjukkan identifikasi jalur generasi hidrogen dengan representasi warna.

Gbr 1 Identifikasi jalur pembangkitan hidrogen dengan representasi warna

Berkenaan dengan proses elektrolisis air hidrogen, elektroliser basa mewakili keadaan proses seni. Proses lain yang sedang dikembangkan adalah teknologi membran penukar proton (PEM) yang masih dalam tahap demonstrasi, sedangkan elektroliser oksida padat masih dalam tahap penelitian dan pengembangan. Elektroliser PEM dapat memberikan berbagai keuntungan untuk konsumsi energi yang sebanding, termasuk tekanan keluaran yang lebih tinggi, rentang beban parsial yang lebih baik, dan variasi pengaktifan dan beban yang lebih cepat.

Saat ini, hidrogen hampir seluruhnya dipasok dari gas alam dan batu bara. Hidrogen sudah digunakan pada skala industri di seluruh dunia, tetapi produksinya bertanggung jawab atas emisi CO2 tahunan. Produksi hidrogen dari energi rendah karbon mahal. Saat ini hidrogen hijau adalah gas yang mahal. Namun, biaya produksi hidrogen dari listrik terbarukan turun dengan cepat.

Sementara produksi hidrogen melalui elektrolisis dari energi terbarukan 'surplus' dan / atau nuklir dapat menjadi alternatif yang hemat biaya, ukuran peluang ini kecil dibandingkan dengan potensi permintaan hidrogen. Memproduksi hidrogen dalam jumlah besar dari elektrolisis saat ini jauh lebih mahal dan memerlukan tingkat pembangunan yang sangat menantang untuk kapasitas pembangkit listrik. Hidrogen hijau, yang diproduksi dengan listrik terbarukan, diproyeksikan akan tumbuh pesat di tahun-tahun mendatang. Banyak proyek yang sedang berjalan dan yang direncanakan mengarah ke arah ini.

Hidrogen hijau dari energi terbarukan secara teknis layak dan mendekati daya saing ekonomi dengan sangat cepat. Meningkatnya minat pada opsi pasokan ini didorong oleh turunnya biaya energi terbarukan dan oleh tantangan integrasi sistem karena meningkatnya pangsa pasokan listrik terbarukan variabel. Fokus saat ini adalah pada penerapan dan pembelajaran sambil melakukan untuk mengurangi biaya pengelektrolisis dan logistik rantai pasokan.

Tiga parameter utama sangat penting untuk kelayakan ekonomi produksi hidrogen dari energi terbarukan. Ini adalah (i) belanja modal elektroliser, (ii) biaya listrik terbarukan yang akan digunakan dalam proses (biaya listrik yang diratakan, LCOE) dan jumlah jam operasi (faktor beban) setiap tahun. Semakin tinggi faktor beban elektroliser, semakin murah biaya satu unit hidrogen, setelah investasi tetap diencerkan dengan jumlah output produk yang lebih tinggi. Faktor beban elektroliser biasanya melebihi 50% pada tingkat biaya investasi saat ini, tetapi biaya hidrogen yang hampir optimal mulai dicapai pada lebih dari 35%. Namun, kapasitas elektroliser untuk hidrogen hijau telah tumbuh secara eksponensial dalam beberapa tahun terakhir.

Peningkatan skala elektroliser berlangsung sangat cepat. Peningkatannya dari skala megawatt (MW) ke skala gigawatt (GW), karena teknologi terus berkembang. Kemajuannya bertahap, tanpa terobosan radikal yang diharapkan. Biaya elektroliser diproyeksikan berkurang setengahnya pada tahun 2040 hingga 2050, sementara biaya listrik terbarukan juga diperkirakan akan terus turun. Hidrogen terbarukan kemungkinan akan segera menjadi pilihan pasokan hidrogen bersih termurah untuk banyak aplikasi lapangan hijau di masa mendatang.

Dalam transisi energi global dengan dorongan utama dekarbonisasi yang terjadi antara sekarang dan 2050, yang dibutuhkan adalah mengganti produksi listrik saat ini sebesar 24.000 TWh (tera watt hour) dengan energi terbarukan. Selanjutnya, pertumbuhan populasi yang diharapkan dan peningkatan standar hidup akan menciptakan kebutuhan tambahan 23.000 TWh yang akan dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Ini pada dasarnya berarti bahwa konsumsi listrik global akan berlipat ganda dalam 30 tahun ke depan bahkan tanpa hidrogen. Berhasil menumbuhkan ekonomi hidrogen hijau akan membutuhkan 20.000 TWh lagi. Ini adalah tantangan besar yang sedang dihadapi untuk beralih ke ekonomi hidrogen.

Penyimpanan hidrogen dapat memberikan manfaat dari perspektif sumber listrik / harga, tetapi tidak begitu penting untuk konsep proses. Saat ini, alternatif yang paling hemat biaya untuk penyimpanan hidrogen adalah penyimpanan bertekanan bawah tanah, di mana terdapat alternatif yang paling hemat biaya untuk penyimpanan dalam formasi garam bawah tanah. Teknologi penyimpanan untuk penyimpanan hidrogen ini telah diuji pada skala industri. Solusi lain yang menarik banyak minat saat ini termasuk memanfaatkan pipa gas alam dan konversi ke amonia atau hidrokarbon sebagai penyimpanan hidrogen perantara. Evaluasi awal teknologi Lined Rock Cavern (LRC) yang saat ini digunakan di Swedia untuk gas alam juga dianggap menjanjikan. Metode alternatif lain untuk penyimpanan hidrogen yang sedang dikembangkan adalah penyimpanan dalam hidrida logam dan bahan berpori.

Beberapa investasi hidrogen membutuhkan jangka waktu 10 tahun hingga 20 tahun. Apalagi di tahun-tahun awal, investasi infrastruktur dibutuhkan sebelum permintaan konsumen meningkat. Kurangnya target atau rangsangan pengurangan emisi yang jelas dan mengikat untuk sektor-sektor tertentu membuat calon investor enggan mengambil risiko jangka panjang.

Permintaan utama hidrogen saat ini adalah penggunaannya sebagai bahan baku industri. Namun, hidrogen yang digunakan dalam proses ini saat ini tidak berasal dari sumber rendah karbon. Aplikasi pemanasan industri utama di masa depan termasuk produksi baja yang saat ini industri baja sekarang menggunakan batubara. Konsumsi hidrogen secara stoikiometri untuk mereduksi bijih hematit (Fe2O3) adalah 54 kg per ton besi. Oleh karena itu, satu juta ton per tahun pabrik baja berbasis reduksi hidrogen akan membutuhkan kapasitas pabrik hidrogen sebanyak 70.000 meter kubik pada STP (suhu dan tekanan standar) hidrogen per jam.

Mengalihkan ketergantungan industri baja dari batu bara ke hidrogen bukan hanya tantangan teknologi dan finansial. Hal ini juga dapat mempengaruhi cara industri baja diatur di tingkat nasional, regional, dan global. Secara historis, kemudahan akses batubara merupakan aspek penting dalam menentukan lokasi pabrik baja. Oleh karena itu, pabrik baja sering didirikan di dekat ladang batubara domestik, atau untuk pabrik baja yang mengandalkan batubara impor di dekat fasilitas pelabuhan.

Menggunakan hidrogen untuk produksi baja adalah teknologi yang saat ini dalam tahap pengembangan. Tujuannya adalah untuk menggantikan proses blast oxygen furnace (BOF), yang merupakan teknologi yang berlaku untuk pembuatan baja primer dan menggunakan batubara kokas baik sebagai sumber panas maupun untuk mereduksi oksigen dari bijih besi, dengan proses yang disebut reduksi langsung besi ( DRI) di mana hidrogen adalah sumber panas dan juga reduktor.

Ide penggunaan hidrogen sebagai reduktor terutama terkait dengan isu perubahan iklim. Dekarbonisasi pada proses pembuatan besi perlu mengganti karbon/karbon monoksida dalam reaksi reduksi dengan gas lain yang dapat menghasilkan emisi karbon yang lebih rendah atau nol. Gas ini bisa berupa metana atau hidrogen. Penggunaan metana (CH4), senyawa kimia yang mengandung karbon dan hidrogen memungkinkan pengurangan emisi CO2, sebagian menggantikannya dengan uap air (H2O) tetapi tidak sepenuhnya. Penggunaan hidrogen memungkinkan proses dekarbonisasi sepenuhnya, karena hanya menghasilkan uap air sebagai produk sampingan kimia.

Kedua alternatif secara teknis dipahami dengan baik. Metana adalah komponen utama gas alam dan dengan demikian tersedia dalam jumlah besar. Ini sudah digunakan untuk tingkat yang terbatas dalam produksi baja, tetapi penggunaan yang lebih luas memungkinkan untuk dekarbonisasi sebagian dari proses. Hidrogen, di sisi lain, memungkinkan untuk sepenuhnya mendekarbonisasi proses pembuatan baja. Namun, hidrogen sejauh ini hanya diproduksi dalam jumlah terbatas, dan penggunaannya untuk produksi baja masih perlu disempurnakan lebih lanjut untuk produksi skala industri.

Oleh karena itu, dekarbonisasi proses produksi baja menimbulkan dua tantangan utama yaitu (i) mengoptimalkan dan meningkatkan rute produksi besi dan baja berbasis hidrogen melalui pabrik percontohan, dan (ii) meningkatkan produksi hidrogen, menghasilkan jumlah yang lebih besar dengan harga yang lebih rendah. biaya dengan efisiensi yang lebih tinggi. Cepat atau lambat, beralih ke hidrogen dalam produksi baja akan membutuhkan pengaturan fasilitas produksi hidrogen baru pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. Oleh karena itu, keberhasilan upaya menuju produksi baja berbasis hidrogen sangat bergantung pada ketersediaan hidrogen dalam jumlah besar seluas mungkin dengan biaya serendah mungkin.

Umumnya ada dua cara untuk menggunakan hidrogen (hijau) dalam produksi baja. Pertama, dapat digunakan sebagai bahan injeksi alternatif untuk PCI (injeksi batubara bubuk), untuk meningkatkan kinerja tanur sembur konvensional. Meskipun penggunaan PCI adalah umum, pabrik percontohan pertama yang menggunakan injeksi hidrogen baru-baru ini didirikan untuk menilai potensi dekarbonisasi. Namun, meskipun injeksi hidrogen (hijau) ke dalam tanur sembur dapat mengurangi emisi karbon hingga 20%, hal ini tidak menawarkan produksi baja karbon-netral karena batu bara kokas biasa masih merupakan agen pereduksi yang diperlukan dalam tanur sembur.

Kedua, hidrogen dapat digunakan sebagai reduktor alternatif untuk menghasilkan DRI yang dapat diolah lebih lanjut menjadi baja dengan menggunakan EAF (electric arc furnace). Menggunakan hidrogen sebagai reduktor hanya melepaskan air (yaitu, tidak menghasilkan emisi karbon). Jalur DRI/EAF merupakan proses produksi yang terbukti saat ini diterapkan dengan menggunakan gas alam sebagai reduktor. Namun, proses reduksi langsung juga dapat dilakukan dengan hidrogen. Berdasarkan penggunaan hidrogen hijau serta listrik terbarukan dari angin, matahari, atau air, pengaturan DRI / EAF memungkinkan produksi baja yang hampir netral karbon. Organisasi Swedia dan Jerman telah bereksperimen dengan 'baja hijau', dipanaskan menggunakan hidrogen bersih, dengan percobaan pertama yang berhasil dilakukan pada tahun 2020 di Swedia.

DRI dan skrap berbasis hidrogen hijau yang dikombinasikan dengan EAF menggantikan bahan bakar fosil dalam tahap produksi DRI dengan hidrogen yang diproduksi dengan energi terbarukan. Ini mewakili metode produksi yang terbukti secara teknis yang memungkinkan produksi baja hampir bebas emisi. Semua pemain baja utama Eropa saat ini sedang membangun atau sudah menguji proses produksi baja berbasis hidrogen, baik menggunakan hidrogen sebagai pengganti PCI atau menggunakan reduksi langsung berbasis hidrogen.

Namun, kebutuhan modal untuk setup produksi baja berbasis hidrogen murni (DRI plus EAF) dalam kombinasi dengan transportasi dan penyimpanan hidrogen yang dibutuhkan cukup signifikan. Gambar 2 menunjukkan flowsheet khas dari proses reduksi langsung hidrogen.

Gbr 2 Flowsheet khas proses reduksi langsung hidrogen

Reduksi langsung besi saat ini digunakan karena sekitar 8% dari produksi besi global diproduksi dengan reduksi langsung. Saat ini reduksi langsung besi menggunakan gas pereduksi yang berasal dari gas alam atau batubara. Pada tahun 2016, tiga perusahaan Swedia (SSAB, LKAB, dan Vattenfall AB) mengumumkan rencana mereka untuk mengembangkan metode dekarbonisasi proses produksi besi yang dikenal sebagai 'reduksi langsung', dengan menggunakan hidrogen sebagai gas pereduksi. Konsep mereka disebut Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT didasarkan pada hidrogen sebagai satu-satunya gas pereduksi, yang menghasilkan air sebagai produk sampingan, bukan CO2. Hasil 'besi tereduksi langsung' (DRI) kemudian dapat dibuat menjadi baja menggunakan tungku busur listrik, dengan cara yang sama seperti DRI tradisional digunakan. Gambar 3 menunjukkan flowsheet prinsip proses HYBRIT.

Gbr 3 Flowsheet Prinsip proses HYBRIT

Karakteristik utama dari proses HYBRIT adalah (i) bahan bakar non fosil digunakan dalam produksi pelet, (ii) hidrogen diproduksi dengan elektrolisis menggunakan listrik bebas fosil, (iii) penyimpanan hidrogen dalam unit yang dirancang khusus digunakan sebagai penyangga ke grid, (iv) tungku poros digunakan untuk reduksi bijih besi, (v) pelet yang dibuat khusus digunakan sebagai umpan bijih besi, (vi) campuran gas / gas reduksi dipanaskan terlebih dahulu sebelum disuntikkan ke poros, (viii ) produk dapat berupa DRI atau HBI (besi briket panas), dan (ix) DRI/HBI dilebur bersama dengan skrap daur ulang di EAF.

Proses HYBRIT telah menilai konsumsi energi ujung-ke-ujung yang terkait dengan penyiapan rantai pasokan baru dan kasus referensi tanur tinggi. Analisis tersebut juga mencakup kegiatan penambangan untuk mengekstraksi bijih besi dari dalam tanah. Menurut analisis ini, tanur tinggi mengeluarkan 1.600 kg CO2 dari pembakaran batu bara kokas dan minyak untuk menghasilkan satu ton baja mentah. Rute DRI hanya mengeluarkan 25 kg CO2 sementara mengkonsumsi sekitar 50 kg hidrogen, yang pada gilirannya menggunakan daya 2.633 kWh. Hal ini menunjukkan efektivitas pengurangan emisi sebesar 32 kg CO2 per kg H2.

Meskipun ini merupakan perhitungan akurat dari pengurangan emisi yang dicapai untuk hidrogen yang dikonsumsi, proses DRI menciptakan produk besi spons sementara yang harus diproses dalam tanur busur listrik (EAF) untuk menghasilkan baja mentah, produk akhir BOF. Untuk menormalkan perbandingan dengan penggunaan akhir hidrogen lainnya, konsumsi listrik di EAF sebesar 855 kWh per ton baja mentah dapat digunakan untuk menghasilkan 16 kg hidrogen lagi, yang menyiratkan efektivitas normal 24 kgCO2 per kg H2. Gambar 4 menunjukkan perbandingan pembuatan baja BF-BOF dengan proses HYBRIT.

Gbr 4 Perbandingan pembuatan baja BF-BOF dengan proses HYBRIT

Sekarang produksi baja berbasis hidrogen menggunakan EAF secara teknis layak dan sudah dianggap sebagai bagian dari solusi jangka panjang yang potensial untuk dekarbonisasi industri baja dalam skala besar. Pertanyaannya bukanlah apakah tetapi kapan dan sejauh mana transformasi ini dapat terjadi. Namun, ada berbagai faktor yang saling bergantung yang menentukan kapan titik kritis dekarbonisasi dapat terjadi di industri baja. Ada beberapa faktor eksternal yang akan membentuk pengembangan di masa depan dan waktu untuk adopsi baja berbasis hidrogen hijau.

Pergeseran menuju baja berbasis hidrogen tidak bisa terjadi dalam semalam. Lebih lanjut saat ini, hanya ada satu teknologi produksi utama yang tersedia yang dapat dimanfaatkan untuk mencapai industri baja karbon-netral. Ketersediaan energi murah di masa depan dari energi terbarukan dan masalah regulasi akan menjadi dua pendorong utama adopsi baja berbasis hidrogen. Meskipun tujuan menjadi netral karbon masih sekitar 28 tahun di masa depan, sangat penting untuk bertindak sekarang. Situs industri memiliki masa pakai lebih dari 50 tahun dan cakrawala perencanaan investasi 10 hingga 15 tahun. Keputusan aset dan jejak perlu dibuat sekarang dan harus mengikuti peta jalan dekarbonisasi yang jelas. Peta jalan itu sendiri adalah untuk menggabungkan tujuan jangka panjang dengan kemenangan cepat yang dapat ditindaklanjuti untuk memungkinkan perubahan bertahap menuju dekarbonisasi yang membuat semua pemangku kepentingan tetap bergabung.

Secara keseluruhan, peralihan tepat waktu dari karbon ke hidrogen dalam proses pembuatan baja memerlukan tindakan politik yang terkoordinasi di berbagai bidang, menaikkan harga karbon pada saat yang sama dengan menurunkan harga hidrogen. Pada gilirannya, penurunan harga hidrogen membutuhkan pengembangan serangkaian tindakan yang luas dan terkoordinasi. Langkah-langkah tersebut penting untuk mempromosikan permintaan hidrogen dan peningkatan kapasitas pasokan sebagai bagian dari dorongan koheren menuju ekonomi hidrogen.