ULCOS: Revolusi Produksi Baja dengan Emisi CO2 Sangat Rendah
Perubahan iklim telah diidentifikasi oleh industri baja di seluruh dunia sebagai tantangan lingkungan utama selama lebih dari dua dekade setengah. Lama sebelum temuan Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) pada 2007, produsen baja besar menyadari bahwa solusi jangka panjang diperlukan untuk mengatasi emisi karbondioksida (CO2) yang dihasilkan selama produksi baja.
Akibatnya, industri baja sangat proaktif dalam meningkatkan konsumsi energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca (GHG).
Gas rumah kaca yang paling relevan bagi industri baja dunia adalah karbondioksida (CO2). Menurut World Steel Association (WSA), rata-rata, 1,8 ton gas CO2 dipancarkan untuk setiap ton baja yang diproduksi. Menurut International Energy Agency (IEA), pada 2010 industri besi dan baja menyumbang sekitar 6,7 % emisi CO2 total dunia.
Emisi CO2 per ton baja kasar yang diproduksi sekarang sekitar 50 % lebih rendah yang mengarah pada reduksi dramatis dalam dampak iklim untuk sektor baja. Pabrik baja terbaik sekarang beroperasi mendekati batas termodinamik yang ditetapkan oleh teknologi produksi baja saat ini. Ini berarti produsen baja terbatas dalam seberapa jauh mereka dapat meningkatkan efisiensi energi mereka. Dengan sebagian besar penghematan energi besar sudah tercapai, reduksi tambahan emisi CO2 yang besar tidak mungkin menggunakan teknologi saat ini.
Pengurangan emisi GHG (gas rumah kaca) lebih lanjut telah berarti perkenalan teknologi inovasi. Pengurangan emisi CO2 ke tingkat yang diperlukan oleh kebijakan pasca-Kyoto memerlukan pemikiran ‘out of box’ karena telah menimbulkan tantangan spesifik. Tidak ada proses sederhana yang tersedia off-the-shelf untuk pencapaian tujuan ini. Perubahan paradigma yang dalam dalam cara baja diproduksi harus diimajinasi dan teknologi inovasi yang sesuai harus dirancang dan dikembangkan. Jenis reduksi yang dipanggil oleh pemerintah dan badan internasional memerlukan penemuan dan implementasi teknologi produksi radikal baru.
Ini adalah latar belakang pembuatan program ULCOS (Ultra-Low CO2 Steelmaking), inisiatif penelitian dan pengembangan eropa yang diluncurkan pada 2004 sebagai konsekuensi dari protokol Kyoto. ULCOS mencari cara untuk membawa reduksi drastis lebih lanjut emisi CO2 dari produksi baja. Tujuan kunci program adalah mencari jalur proses inovasi yang, di masa depan, saat sepenuhnya dikembangkan, dapat menunjukkan potensi pengurangan besar emisi CO2 untuk produksi baja dari bijih besi. Program bertujuan untuk mengurangi emisi CO2 dibandingkan teknologi produksi saat ini minimal 50 %. Mencapai target ambisius seperti itu memerlukan perubahan paradigma dalam produksi baja yang akan mengubah cara pabrik baja saat ini beroperasi di seluruh dunia. ULCOS adalah bagian dari program industri baja dunia yang dirancang untuk mengidentifikasi teknologi pembuatan baja dengan potensi pengurangan besar CO2. Di bawah program ini upaya dilakukan untuk menemukan jawaban pembuatan baja dengan cara paling berkelanjutan.
Anggota program ULCOS adalah konsorsium 48 perusahaan dan organisasi Eropa dari 15 negara Eropa, termasuk semua perusahaan besar Uni Eropa (EU) baja, mitra energi dan teknik, institusi penelitian dan universitas. Ini juga didukung oleh Komisi Eropa. ULCOS adalah program Eropa, namun ini adalah upaya terbesar di industri baja dunia yang secara proaktis mencari solusi terhadap ancaman pemanasan global. Keahlian konsorsium mencakup pembuatan baja hingga produksi biomassa dan penyimpanan geologis CO2, dan mencakup teknik proses, ekonomi energi, dan studi kepraktisan dalam perubahan iklim.
Saat ini, ULCOS adalah inisiatif terbesar dalam industri baja dunia yang secara proaktis mencari solusi terhadap ancaman pemanasan global. Mitra ULCOS mendanai 60 % anggaran EUR 75 juta. Komisi Eropa menyumbang sisa 40 % melalui program kerangka RTD (penelitian dan pengembangan teknologi) dan program RFCS (Research Fund Coal Steel). Keduanya dirancang untuk mempromosikan penelitian industri dan pengembangan teknologi di Eropa.
Teknologi produksi baja saat ini didasarkan pada kokas yang didasarkan terutama pada karbon, gas alam yang adalah campuran karbon dan hidrogen, dan elektrik arc furnace berbasis scrap. Untuk mengidentifikasi jalur proses rendah CO2, tiga jalur solusi utama adalah (i) peralihan dari kokas, disebut decarbonising, di mana karbon diganti oleh hidrogen atau listrik, dalam proses seperti reduksi hidrogen atau elektrolisis bijih besi, (ii) perkenalan CCS (capture dan penyimpanan karbon) dan teknologi karbonisasi mineral, dan (iii) penggunaan biomassa berkelanjutan.
ULCOS adalah program besar yang dirancang dengan hati-hati untuk menghadapi tantangan jangka panjang dan kompleks yang dihadapi industri baja, bersama dengan masyarakat secara keseluruhan. Program ULCOS memiliki empat langkah yaitu (i) pembuatan konsep proses, (ii) demonstrasi skala besar, (iii) eksperimen skala besar dari pabrik komersial pertama. (iv) penerapan teknologi di Eropa dan di dunia. ULCOS yang awalnya merupakan inisiatif penelitian, saat ini telah berubah menjadi inisiatif demonstrasi.
Penelitian yang besar telah dilakukan dalam program ULCOS sejak peluncurannya pada 2004. Studi kelayakan awal yang berlangsung empat hingga lima tahun menyelidiki lebih dari 80 jalur teknologi/konssep dalam fase awal program penelitiannya, menggunakan pendekatan modeling dan laboratorium untuk mengevaluasi potensi mereka, dalam hal emisi CO2, konsumsi energi, biaya operasional pembuatan baja dan kelestarian. Beberapa konssep telah diselidiki secara paralel. Di antara semua ini, keluarga jalur proses luas berikut telah dipilih dalam program ULCOS untuk penyelidikan lebih lanjut dan penskalaan akhir ke ukuran di mana implementasi komersial dapat mengambil alih.
- Variasi tanur tinggi (BF) di mana gas atas BF melalui capture CO2 dan gas redutor yang tersisa diinjeksi kembali di dasar reaktor, yang lebih lanjut dioperasikan dengan oksigen murni daripada angin panas (udara). Proses ini disebut tanur tinggi daur ulang gas atas (TGR-BF). Aliran gas kaya CO2 dikirim ke penyimpanan (teknologi CCS).
- Proses reduksi pencampuran yang disebut proses HIsarna. Proses ini didasarkan pada kombinasi siklus panas dan bath smelter dan mengintegrasikan beberapa fitur teknologi proses HIsmelt. Proses juga menggunakan oksigen murni dan menghasilkan gas buang yang hampir siap untuk penyimpanan (teknologi CCS).
- Proses reduksi langsung (DR) yang disebut ULCORED. Proses ini menghasilkan DRI (besi reduksi langsung) di tanur tiang, baik dari gas alam atau gas dari gasifikasi batu bara. Gas buang dari tanur di daur ulang ke dalam proses setelah CO2 ditangkap, yang meninggalkan pabrik DR dalam aliran terpusat dan pergi ke penyimpanan (teknologi CCS).
- Dua varian proses elektrolisis yang disebut ULCOWIN dan ULCOLYSIS. ULCOWIN beroperasi sedikit di atas 100 derajat C dalam larutan alkali air yang dihuni oleh biji bijih kecil (proses electro-winning). ULCOLYSIS beroperasi pada suhu pembuatan baja dengan elektrolit garam leleh yang terbuat dari slag (pyro-electrolysis).
- Ada dua opsi lagi yang tersedia. Yang pertama terdiri dari penggunaan hidrogen untuk reduksi langsung, kapan dan jika tersedia tanpa jejak karbon. Yang kedua didasarkan pada penggunaan biomassa berkelanjutan, contoh pertamanya adalah areng kayu yang dihasilkan dari perkebunan eucalyptus berkelanjutan yang tumbuh di negara tropis.
Penggunaan CCS dan karbonisasi mineral dalam teknologi ULCOS baru juga telah dievaluasi. CCS telah diidentifikasi sejak awal sebagai solusi yang kuat. Tentang karbonisasi mineral telah diidentifikasi bahwa hanya dapat menghasilkan pengurangan emisi secara keseluruhan yang sederhana, meskipun penting.
Proses yang sedang diteliti dan dikembangkan di bawah program ULCOS ditunjukkan dalam Gambar 1
Gambar 1 Proses yang sedang diteliti dan dikembangkan di bawah program ULCOS
ULCOS sekarang telah memilih empat konsep proses – yang telah diuji secara eksperimental – yang dapat mengarah pada pengurangan emisi CO2 lebih dari setengah dibandingkan praktik terbaik saat ini. Konsep-konsep ini sekarang sedang diimplementasikan di pabrik baja yang beroperasi dalam fase kedua proyek ULCOS. Hasil fase 2 dari program ULCOS potensial dapat diluncurkan ke pabrik produksi sekitar 15 hingga 20 tahun dari sekarang. Konsep proses yang dipilih adalah (i) re-engineering tanur tinggi untuk mengintegrasikan CCS di inti proses, (ii) reduksi pencampuran dengan kemampuan CCS, (iii) penggunaan massal gas alam dengan teknologi lebih rendah CO2 dari saat ini, (iv) pembuatan baja hidrogen dan elektrolisis bijih besi.
TGR-BF tampak menjadi solusi paling menjanjikan dalam jangka pendek, karena BF yang ada dapat di-retrofit ke teknologi baru. Ini dapat menjaga pengeluaran modal yang diperlukan untuk beralih ke teknologi inovasi tetap terkendali. Selanjutnya, prinsip proses itu sendiri memberikan penghematan energi karena capture CO2 dan daur ulang gas yang telah disaring menggeser kesetimbangan kimia suhu tinggi (reaksi Boudouard) dan menggunakan kokas dan batu bara dengan efisiensi yang lebih tinggi di dalam BF daripada yang mungkin dengan operasi konvensional. Ini menyeimbangkan biaya tambahan yang ditimbulkan oleh capture dan penyimpanan, hingga beberapa batas. Konsep yang tepat yang diterapkan dalam TGR-BF adalah capture CO2 dalam proses, dengan operasi oksigen. Bagian oksigen mirip dengan operasi oxy-fuel tetapi tidak identik. Bagian daur ulang asli dan adalah alasan kunci mengapa beberapa penghematan energi dan potongan biaya operasional yang sesuai diperoleh. Konsep ini telah diuji pada tanur tinggi laboratorium skala besar di Luleå, Swedia dengan hasil positif.
Di tempat ketersediaan gas alam, jalur proses ULCORED adalah opsi yang menarik. Konsep yang diterapkan pada proses ULCORED mirip dengan konsep TGR-BF dan juga termasuk penggunaan oksigen murni dan daur ulang gas atas tanur dalam proses, selain fitur lain seperti serangkaian reaktor shift dalam loop daur ulang. Untuk validasi konsep ini, pilot satu ton/jam direncanakan didirikan di Luleå dalam beberapa tahun mendatang oleh LKAB, mitra ULCOS.
Proses HIsarna yang sedang dikembangkan akan menjadi opsi yang tersedia dalam beberapa tahun mendatang, mungkin untuk pabrik baja green field. Proses HIsarna sedikit berbeda dari proses TGR-BF dan ULCORED karena tidak melibatkan loop daur ulang untuk gas. Gas peleburan dioksidasi pada tingkat siklus, di mana beberapa reduksi dilakukan bersama dengan pembakaran untuk memanaskan dan meleleh bijih. Ada aliran counter current gas terhadap aliran besi, di mana energi kimianya sepenuhnya terkuras. Pabrik pilot 8 ton/jam telah didirikan dan diuji selama program ULCOS. Pabrik pilot dimulai pada April 2011. Dalam kampanye pertama pabrik dioperasikan dari 18 April hingga 11 Juni 2011. Ada empat kali start-up. Start-up pertama tidak berhasil. Tiga start-up lainnya berhasil. Laju injeksi yang tercapai adalah 60 % dari kapasitas. Data yang tersedia dari operasi menunjukkan bahwa proses beroperasi seperti yang diharapkan tetapi jam operasi lebih banyak diperlukan untuk memastikannya. Jumlah jam operasi di bawah ekspektasi. Kampanye kedua dimulai pada 16 Oktober 2012. Ini berlanjut hingga akhir November 2012.
Proses elektrolisis telah dikembangkan dari nol dalam program ULCOS dan, oleh karena itu, masih beroperasi pada skala laboratorium. Meskipun mereka menjanjikan emisi nol, jika mereka memiliki akses ke listrik hijau, waktu diperlukan untuk menskalakan ke ukuran komersial (10 hingga 20 tahun). Proses ULCOWIN terdiri dari elektrolisis alkali bijih besi. Elektrolisis biasanya digunakan untuk menghasilkan logam selain baja dan memerlukan jumlah besar listrik. Proses akan bergantung pada sumber listrik rendah CO2 seperti hidro atau tenaga nuklir. ULCOLYSIS adalah elektrolisis oksida leleh. Elektrolisis oksida leleh bekerja dengan melewatkan arus listrik melalui slag leleh yang diumpani dengan oksida besi. Oksida besi hancur menjadi besi cair dan gas oksigen. Tidak ada CO2 yang dihasilkan. Emisi proses lebih dikurangi dengan sumber listrik rendah CO2.
Dalam pembuatan baja hidrogen Besi direduksi dari bijih besi pada suhu tinggi (di atas 1.300 derajat C) dan dengan waktu reaksi yang sangat pendek. Tidak ada CO2 yang dipancarkan tetapi produksi hidrogen memerlukan jumlah besar listrik rendah CO2. Proses ini juga dapat dioperasikan dengan bahan bakar rendah CO2 seperti gas alam.
Pembuatan baja hidrogen sangat bergantung pada ketersediaan hidrogen hijau, sementara penggunaan areng kayu, jauh dari negara produsen, akan memerlukan pengaturan logistik yang kompleks, termasuk infrastruktur berat di beberapa benua.
ULCOS adalah inisiatif jangka panjang industri baja. Ini penuh janji tetapi juga risiko dan jebakan, situasi yang mungkin mirip dengan yang dialami sektor lain. Risiko terkait dengan kompleksitas isu, yang memerlukan pengembangan dan implementasi teknologi inovasi dibatasi oleh keterbatasan waktu yang sangat singkat. Kesabaran, dukungan, kejujuran dan ketegasan berkelanjutan diperlukan agar program ini menjadi inisiatif sukses industri baja dan mencapai sebagian besar tujuan yang ditargetkan.
