Deskarbonisasi Produksi Baja Berbasis Hidrogen: Jalur Menuju Industri Berkelanjutan

Hidrogen dan Deskarbonisasi 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 serta beralih ke sumber energi berkelanjutan, dan (iii) menciptakan basis industri dan teknologi energi baru yang krusial untuk perekonomian masa depan. Semua penilaian modern tentang masa depan energi global berpendapat bahwa pertumbuhan permintaan energi akan dipenuhi semakin banyak oleh campuran energi yang beraneka ragam, termasuk sumber energi terbarukan atau berkelanjutan.

Kesadaran akan masalah lingkungan yang nyata menjadi salah satu kekuatan pendorong utama terhadap pengembangan energi berkelanjutan. Di antara kekhawatiran ini, masalah pelepasan dan acumulasi CO2 serta gas rumah kaca lainnya ke dalam atmosfer menempati posisi terdepan. Emisi ini kini tidak dapat ditolak lagi jauh di atas level pra-industriel dan dianggap bertanggung jawab atas kenaikan suhu rata-rata global melalui efek gas rumah kaca (GHG). Jika tidak ada pengurangan drastis dalam jumlah CO2 yang dibuang ke lingkungan melalui berbagai aktivitas, akan ada konsekuensi yang berpotensi merusak bagi iklim global. Kekhawatiran ini tanpa ragam mengubah cara energi dan pengubahnya dievaluasi dan digunakan, menggeser keseimbangan dari basis hidrokarbon tradisional ke sumber energi terbarukan atau berkelanjutan.

Hidrogen sebagai Pengubah Energi

Hidrogen adalah bahan bakar alternatif yang menarik. Namun, berbeda dengan batu bara, gas, atau minyak, hidrogen bukan merupakan sumber energi primer. Sebaliknya, perannya lebih mirip dengan listrik sebagai 'pengubah energi' sekunder, yang harus diproduksi terlebih dahulu menggunakan energi dari sumber lain dan kemudian diangkut untuk penggunaan di masa depan di mana energi kimia latennya dapat sepenuhnya direalisasikan.

Hidrogen menjanjikan masa depan energi global yang benar-benar berkelanjutan. Minat terhadap hidrogen sebagai cara untuk menyediakan layanan energi telah meningkat dalam beberapa tahun terakhir sebagai respons terhadap kekhawatiran yang semakin besar tentang dampak lingkungan penggunaan energi dan kekhawatiran tentang keamanan pasokan bahan bakar fosil. Hidrogen adalah pengubah energi yang terkenal, serbaguna, dan bersih yang banyak digunakan dalam industri. Sebagian besar teknologi yang terkait dengan hidrogen memiliki sejarah yang panjang. Rekam jejak industri dalam penggunaan hidrogen serta penggunaan saat ini untuk beberapa aplikasi menunjukkan keamanannya. Hidumen menawarkan beberapa opsi untuk produksi, distribusi, dan penggunaan. Penggunaan saat ini dapat diperluas dengan aman ke penggunaan lain.

Hidrogen, sebagai pengubah energi, dalam prinsipnya dapat menggantikan semua bentuk energi akhir yang digunakan saat ini. Ia dapat menyediakan layanan energi bagi semua sektor perekonomian. Ia memiliki keuntungan lingkungan potensial dibandingkan bahan bakar fosil. Pada titik penggunaan, hidrogen dapat dibakar dengan cara yang tidak menghasilkan emisi berbahaya. Jika hidrogen diproduksi tanpa mengeluarkan CO2 sama sekali, maka ia dapat membentuk basis sistem energi yang benar-benar berkelanjutan yang dikenal sebagai ekonomi hidrogen.

Transisi ke Ekonomi Hidrogen

Hidrogen telah mengalami siklus harapan tinggi diikuti oleh kenyataan yang tidak praktis. Penurunan harga energi terbarukan dan persyaratan regulasi yang ketat karena perubahan iklim memicu geser paradigma yang saat ini terjadi dari ekonomi karbon ke ekonomi hidrogen di seluruh dunia. Namun, transisi ke ekonomi hidrogen tidak akan terjadi semalam karena membutuhkan strategi dan upaya yang terdedikasi.

Hidrogen adalah elemen pertama dalam tabel periodik. Ia adalah elemen kimia terringan, paling melimpah, dan salah satu yang paling tua di alam semesta. Di bumi, hidrogen ditemukan dalam molekul yang lebih kompleks, seperti air atau hidrokarbon. Untuk digunakan dalam bentuk murni, hidrogen harus diekstraksi. Nyalap hidrogen tidak berwarna dan tidak berbau. Ia memerlukan penambahan pewarna dan pembau agar terlihat dan dapat terdeteksi. Selanjutnya, hidrogen memiliki molekul yang lebih kecil dari gas alam, sehingga dapat bocor lebih mudah. Karakteristik hidrogen ini dapat menjadi masalah khusus di tempat bocorannya dapat menyebabkan penumpukan konsentrasi hidrogen di ruangan tertutup.

Hidrogen dapat memainkan peran kunci dalam deskarbonisasi industri global. Dalam situasi saat ini, ekonomi hidrogen adalah prioritas. Emisi CO2 bersih nol memerlukan pemakaian bahan bakar fosil sepenuhnya. Dampak iklim hidrogen tergantung sepenuhnya pada cara ia dibuat. Untuk mengontrol perubahan iklim global, hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis air yang diberdayakan oleh energi terbarukan adalah tidak tergantikan untuk kemutralan iklim. Namun, transisi ke ekonomi hidrogen membutuhkan investasi besar dalam infrastruktur baru untuk memproduksi, mengangkut, menyimpan, dan menyampaikan hidrogen ke pengguna akhir.

Tidak ada pilihan untuk gagal dalam deskarbonisasi perekonomian. Pada jangka panjang, hidrogen bersama dengan listrik yang dihasilkan terbarukan memiliki kemampuan untuk menyediakan solusi untuk deskarbonisasi sektor yang sulit diabati 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 maupun 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 deskarbonisasi perekonomian. Bukti baru menunjukkan bahwa hidrogen memiliki peran potensial yang penting dalam mengurangi emisi dari panas industri, terutama di mana nyala api (dan gas pembakaran selanjutnya) perlu bersentuhan langsung dengan material atau produk yang diproduksi (misalnya dalam rotan dan tungku).

Karakteristik dan Produksi Hidrogen

Hidrogen memiliki sejumlah karakteristik yang berguna. Ia dapat diproduksi dalam berbagai cara rendah karbon dan penggunaannya, baik melalui pembakaran maupun reaksi elektrokimia dalam sel bahan bakar, tidak menghasilkan emisi GHG. Dalam sel bahan bakar, penggunaan hidrogen tidak menghasilkan emisi polutan udara karena hasil sampingannya hanya air. Ini secara signifikan meningkatkan kualitas udara dibandingkan bahan bakar fosil yang digantikannya.

Pembakaran hidrogen dapat menghasilkan suhu tinggi, yang berarti ia dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil di tempat panas suhu tinggi diperlukan, misalnya dalam aplikasi industri. Namun, karena hidrogen membakar pada suhu yang lebih tinggi, nitrogen oksida (NOx), yang merupakan polutan berbahaya, dapat menjadi masalah.

Meskipun hidrogen secara signifikan lebih sedikit padat energi dibandingkan bahan bakar fosil, saat dikompresi, ia memiliki densitas energi yang tinggi. Ia dapat disimpan dalam volume besar, pada kuantitas yang dapat bertahan selama bulan-bulan daripada jam atau hari. Selanjutnya, sebagai gas yang dapat dikompresi, hidrogen dapat diirangi dengan laju tinggi melalui pipa.

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

Hidrogen dapat disimpan dan didistribusikan dalam beberapa cara. Hidrogen memiliki densitas energi (gravimetrik) yang tinggi. Opsi transportasi dapat dibandingkan dengan pengubah energi fosil dan mencakup pengangkutan truk gas / cair, transportasi kapal, dan pompa hidrogen gas melalui pipa. Pengcampuran ke dalam jaringan gas alam yang ada juga mungkin, dan dapat menjadi penting, terutama selama periode transisi. Ada beberapa opsi penyimpanan, sebagian besar masih dalam tahap pengembangan.

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

Hidrogen bukan sumber energi tetapi pengubah energi. Ia harus diproduksi dan disimpan sebelum digunakan. Molekul gas hidrogen yang menyimpan energi dapat mengembalikannya 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 dikonversi menjadi listrik melalui sepasang reaksi redoks (reduksi-oksidasi). Produk sisa dari reaksi ini adalah air.

Dampak pengurangan CO2 hidrogen ditentukan oleh kombinasi jejak CO2 dari cara ia diproduksi dan emisi dari aktivitas tempat hidrogen digunakan. Emisi CO2 yang terkait dengan produksi hidrogen erat kaitannya dengan teknologi yang digunakan dan struktur jaringan listrik yang menyediakan daya untuk proses tersebut. Deskarbonisasi produksi hidrogen saat ini adalah tantangan, tetapi akan memiliki dampak positif pada emisi CO2 dan dapat memainkan peran penting dalam merealisasikan penurunan biaya. Juga, biaya produksi hidrogen dari elektrolisis terbarukan diperkirakan akan menurun.

Ada secara dasar dua kategori proses produksi hidrogen. Salah satunya mengekstrak hidrogen dari air dengan listrik (yaitu elektrolisis), dan yang kedua memanfaatkan bahan bakar fosil sebagai sumber energi dan / atau hidrogen. Saat mengekstrak hidrogen dengan atau dari bahan bakar fosil, seperti gas alam, minyak atau batu bara, emisi CO2 tertancap dalam reaksi kimia yang sedang dikatalisis. Dalam kasus ketika listrik digunakan untuk menjalankan proses elektrolisis, emisi yang terkait disebabkan oleh intensitas CO2 dari sumber listrik.

Sumber energi yang digunakan dan metode yang digunakan untuk produksi hidrogen menentukan apakah ia secara informal dianggap hidrogen abu-abu, biru, atau hijau. Sekitar 96 % hidrogen saat ini diproduksi dari bahan bakar fosil melalui proses yang intensif karbon. Hidrogen yang dihasilkan oleh proses ini dikenal sebagai hidrogen abu-abu. Dua proses utama adalah reformasi metana dengan uap dan gasifikasi batu bara. Jika karbon dioksida yang dipancarkan selama produksi hidrogen oleh dua proses ini tersimpan melalui penangkapan dan penyimpanan atau pemanfaatan karbon (CCS/U), maka hidrogen yang dihasilkan dikenal sebagai hidrogen biru. CCS/U pada aset hidrogen memiliki tingkat penangkapan yang mencapai 90 % dan ini membuat rute produksi ini cukup efektif dari sudut pandang gas rumah kaca.

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

Masalah tambahan yang terkait dengan elektrolisis adalah konsumsi air. Konsumsi air murni biasanya dalam kisaran 10 liter hingga 15 liter per kilogram output hidrogen, dan air input perlu dideionisasi. Dalam ketiadaan sumber air tawar, opsi meliputi dessalinasi air laut atau pemulihan air limbah.

Tiga rute utama untuk memproduksi hidrogen emisi nol adalah (i) melalui reformasi metana uap (SMR), menggunakan biomethan, atau digabungkan dengan CCS/U, (ii) melalui elektrolisis menggunakan listrik yang dihasilkan oleh terbarukan, dan (iii) melalui gasifikasi biomassa. Sementara SMR dan elektrolisis adalah teknologi matang, gasifikasi biomassa dan SMR dengan CCS/U masih dalam pengembangan. Sekitar, hampir seluruh produksi hidrogen melalui reformasi bahan bakar fosil, karena saat ini merupakan rute paling ekonomis.

Sehubungan dengan rute hidrogen biru, konsumsi air adalah aspek yang sering diabaikan. Rute hidrogen biru mengonsumsi jumlah air yang signifikan, dan dalam beberapa kasus bahkan lebih tinggi dari proses elektrolisis. Saat membandingkan air yang tersemat melalui inventaris siklus hidup, hasil menunjukkan bahwa konsumsi air per kilogram hidrogen dapat mencapai 24 liter untuk proses SMR dan 38 liter untuk proses gasifikasi batu bara.

Rute tambahan yang kadang disebut hidrogen turkis (biru kehijauan) masih berada pada tahap TRL (tingkat kesiapan teknologi). Ia terdiri dari pirolisis metana. Berbagai solusi teknologi saat ini dalam pengembangan di beberapa lokasi di seluruh dunia. Dalam prosesnya, gas alam digunakan sebagai bahan baku, sementara konsumsi energi berasal dari listrik, kemungkinan dari sumber rendah karbon. Metana dipisah pada suhu tinggi menjadi hidrogen dan karbon padat (juga disebut karbon hitam). Gambar 1 menunjukkan identifikasi rute generasi hidrogen dengan representasi warna.

Gambar 1: Identifikasi rute generasi hidrogen dengan representasi warna.

Sehubungan dengan proses elektrolisis air hidrogen, elektrolisis alkaline mewakili proses state of the art. Proses lain yang sedang dikembangkan adalah teknologi sel membran pertukaran proton (PEM) yang berada dalam tahap demonstrasi, sementara elektrolisis oksida padat masih dalam tahap penelitian dan pengembangan. Elektrolisis PEM dapat memberikan serangkaian keuntungan untuk konsumsi energi yang dapat dibandingkan, termasuk tekanan output yang lebih tinggi, rentang beban parsial yang lebih baik, dan startup serta variasi beban yang lebih cepat.

Saat ini, hidrogen hampir sepenuhnya dipasok dari gas alam dan batu bara. Hidrogen sudah diterapkan dalam 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 sedang turun dengan cepat.

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

Hidrogen hijau dari listrik terbarukan secara teknis viable dan sangat dekat dengan daya saing ekonomis. Minat yang meningkat terhadap opsi pasokan ini didorong oleh biaya listrik terbarukan yang turun dan tantangan integrasi sistem karena porsi yang meningkat dari pasokan listrik terbarukan yang bervariasi. Fokus saat ini adalah pada penerapan dan pembelajaran melalui tindakan untuk mengurangi biaya elektrolisis dan logistik rantai pasok.

Tiga parameter utama krusial untuk daya guna ekonomis produksi hidrogen dari terbarukan. Ini adalah (i) biaya modal elektrolisis, (ii) biaya listrik terbarukan yang akan digunakan dalam proses (biaya listrik levelized, LCOE) dan jumlah jam operasi (faktor beban) secara tahunan. Semakin tinggi faktor beban elektrolisis, semakin murah biaya satu unit hidrogen, setelah investasi tetap dihaluskan oleh jumlah output produk yang lebih tinggi. Faktor beban elektrolisis biasanya harus melebihi 50 % pada tingkat biaya investasi saat ini, tetapi biaya hidrogen hampir optimal mulai tercapai di atas 35 %. Kapasitas elektrolisis untuk hidrogen hijau, however, telah tumbuh eksponensial dalam beberapa tahun terakhir.

Penskalaan elektrolisis sedang terjadi sangat cepat. Penskalaan adalah dari skala megawatt (MW) ke skala gigawatt (GW), seiring dengan teknologi yang terus berkembang. Kemajuan adalah bertahap, tanpa kemajuan radikal yang diharapkan. Biaya elektrolisis diproyeksikan akan terpaduah hingga 2040 hingga 2050, sementara biaya listrik terbarukan juga diperkirakan akan terus turun. Hidrogen terbarukan kemungkinan akan segera menjadi opsi pasokan hidrogen bersih termurah untuk banyak aplikasi green field di masa depan yang akan datang.

Dalam transisi energi global dengan dorongan utama deskarbonisasi yang terjadi antara sekarang dan 2050, kebutuhan adalah untuk menggantikan 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 akan 23.000 TWh tambahan yang harus dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Ini berarti pada dasarnya bahwa konsumsi listrik global akan menjadi dua kali lipat dalam 30 tahun mendatang bahkan tanpa hidrogen. Pengembangan ekonomi hidrogen hijau yang sukses akan membutuhkan 20.000 TWh lagi. Ini adalah tantangan besar yang dihadapi untuk beralih ke ekonomi hidrogen.

Penyimpanan hidrogen dapat memberikan manfaat dari sudut pandang sumber daya / harga listrik, tetapi tidak begitu krusial untuk konsep proses. Saat ini, alternatif paling hemat biaya untuk penyimpanan hidrogen adalah penyimpanan teredam terkanan, di mana terdapat alternatif paling hemat biaya untuk penyimpanan dalam formasi garam bawah tanah. Teknologi penyimpanan ini untuk penyimpanan hidrogen telah diuji dalam skala industri. Solusi lain yang menarik banyak minat saat ini meliputi penggunaan pipa gas alam dan konversi menjadi amonia atau hidrokarbon sebagai penyimpanan perantara hidrogen. 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 dalam material poros.

Beberapa investasi hidrogen membutuhkan lintas waktu 10 tahun hingga 20 tahun. Khususnya pada tahun-tahun awal, investasi infrastruktur diperlukan sebelum permintaan konsumen meningkat. Kurangnya target pengurangan emisi yang jelas dan mengikat atau rangsangan untuk sektor tertentu mengecewakan investor potensial dari mengambil risiko jangka panjang.

Permintaan predominant 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 pemanas industri masa depan yang utama meliputi produksi baja untuk saat ini industri baja menggunakan batu bara. Konsumsi stoikiometri hidrogen untuk mengurangi bijih hematit (Fe2O3) adalah 54 kg per ton besi. Oleh karena itu, pabrik baja satu juta ton per tahun 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 teknologis dan keuangan. Ia juga dapat mempengaruhi cara industri baja diorganisir di tingkat nasional, regional, dan global. Secara historis, kemudahan akses ke batu bara adalah aspek penting dalam menentukan lokasi pabrik baja. Pabrik baja dengan kerapya didirikan di dekat pertambangan batu bara dalam negeri, atau untuk pabrik baja yang bergantung pada batu bara impor di dekat fasilitas pelabuhan.

Menggunakan hidrogen untuk produksi baja adalah teknologi yang saat ini masih dalam tahap pengembangan. Tujuannya adalah untuk mengganti proses blast oxygen furnace (BOF), yang merupakan teknologi yang mendominasi untuk pembuatan baja primer dan menggunakan batu bara kokas baik sebagai sumber panas maupun untuk mengurangi oksigen dari bijih besi, dengan proses yang disebut direct reduction of iron (DRI) di mana hidrogen adalah sumber panas serta agen pengurang.

Ide menggunakan hidrogen sebagai agen pengurang terutama terkait dengan isu perubahan iklim. Deskarbonisasi proses pembuatan besi memerlukan penggantian karbon / karbon monoksida dalam reaksi pengurangan dengan gas lain yang dapat mengakibatkan emisi karbon yang lebih rendah atau nol. Gas ini dapat berupa metana atau hidrogen. Penggunaan metana (CH4), suatu senyawa kimia yang mengandung karbon dan hidrogen memungkinkan pengurangan emisi CO2, menggantikannya sebagian dengan uap air (H2O) tetapi tidak sepenuhnya. Penggunaan hidrogen memungkinkan untuk deskarbonisasi proses sepenuhnya, karena ia hanya menghasilkan uap air sebagai hasil samping kimia.

Kedua alternatif ini secara teknis sudah dipahami dengan baik. Metana adalah komponen utama gas alam dan oleh karena itu tersedia dalam jumlah besar. Ia sudah digunakan dalam jumlah terbatas dalam produksi baja, tetapi penggunaan yang lebih luas memungkinkan deskarbonisasi parsial dari proses-proses tersebut. Hidrogen, di sisi lain, memungkinkan untuk deskarbonisasi proses pembuatan baja sepenuhnya. Hidrogen, namun, sejauh ini hanya diproduksi dalam jumlah terbatas, dan penggunaannya untuk produksi baja masih perlu disesuaikan lebih lanjut untuk produksi skala industri.

Oleh karena itu, deskarbonisasi proses produksi baja menempatkan dua tantangan utama yaitu (i) mengoptimalkan dan menskalakan rute berbasis hidrogen untuk produksi besi dan baja melalui pabrik pilot, dan (ii) menskalakan produksi hidrogen, menghasilkan jumlah yang lebih besar dengan biaya yang lebih rendah dengan efisiensi yang lebih tinggi. Pahit atau manis, beralih ke hidrogen dalam produksi baja akan membutuhkan pendirian fasilitas produksi hidrogen baru pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. Keberhasilan upaya menuju produksi baja berbasis hidrogen, oleh karena itu, sangat bergantung pada membuat jumlah besar hidrogen tersedia se luas mungkin dengan biaya terendah mungkin.

Ada secara dua cara untuk menggunakan (hidrogen hijau) dalam produksi baja. Pertama, ia dapat digunakan sebagai bahan injeksi alternatif untuk PCI (pulverized coal injection), untuk meningkatkan kinerja blast furnace konvensional. Meskipun penggunaan PCI umum, pabrik pilot pertama menggunakan injeksi hidrogen baru saja didirikan untuk menilai potensi deskarbonisasi. Namun, sementara injeksi (hidrogen hijau) ke dalam blast furnace dapat mengurangi emisi karbon hingga 20 %, ini tidak menawarkan produksi baja netral karbon karena batu bara kokas reguler masih merupakan agen pengurang yang diperlukan dalam blast furnace.

Kedua, hidrogen dapat digunakan sebagai agen pengurang alternatif untuk memproduksi DRI yang dapat diproses lebih lanjut menjadi baja menggunakan EAF (electric arc furnace). Penggunaan hidrogen sebagai pengurang hanya melepaskan air (yaitu, tidak menghasilkan emisi karbon). Rute DRI / EAF adalah proses produksi yang terbukti yang saat ini diterapkan menggunakan gas alam sebagai pengurang. 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 hampir netral karbon. Organisasi Swedia dan Jerman telah bereksperimen dengan 'baja hijau', dipanaskan dengan hidrogen bersih, dengan percobaan pertama yang berhasil terjadi pada tahun 2020 di Swedia.

DRI berbasis hidrogen hijau dan limbah baja dalam kombinasi dengan EAF menggantikan bahan bakar fosil pada tahap produksi DRI dengan hidrogen yang diproduksi dengan energi terbarukan. Ia mewakili metode produksi yang terbukti secara teknis yang memungkinkan produksi baja hampir bebas emisi. Semua pemain utama baja 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, persyaratan modal untuk pendirian produksi baja berbasis hidurn murni (DRI ditambah EAF) dalam kombinasi dengan transportasi dan penyimpanan hidrogen yang diperlukan cukup signifikan. Gambar 2 menunjukkan aliran proses reduksi langsung hidrogen yang umum.

Gambar 2: Aliran proses reduksi langsung hidrogen yang umum.

Reduksi langsung besi saat ini digunakan untuk sekitar 8 % produksi besi global yang dihasilkan oleh reduksi langsung. Saat ini reduksi langsung besi menggunakan gas pengurang yang berasal dari gas alam atau batu bara. Pada tahun 2016, tiga perusahaan Swedia (SSAB, LKAB, dan Vattenfall AB) mengumumkan rencana mereka untuk mengembangkan metode untuk deskarbonisasi proses produksi besi yang dikenal sebagai 'reduksi langsung', dengan menggunakan hidrogen sebagai gas pengurang. Konsep mereka disebut Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT didasarkan pada hidrogen sebagai gas pengurang tunggal, yang menghasilkan air sebagai hasil samping alih-alih CO2. 'Direct reduced iron' (DRI) yang dihasilkan dapat kemudian dibuat menjadi baja menggunakan electric arc furnace, dengan cara yang sama seperti DRI tradisional digunakan. Gambar 3 menunjukkan aliran proses prinsip HYBRIT.

Gambar 3: Aliran proses prinsip HYBRIT.

Karakteristik utama proses HYBRIT adalah (i) bahan bakar fosil tidak digunakan dalam produksi pelet, (ii) hidrogen diproduksi dengan elektrolisis menggunakan listrik bebas fosil, (iii) penyimpanan hidrogen dalam unit yang dirancang khusus digunakan sebagai buffer untuk jaringan, (iv) rotan shaft digunakan untuk reduksi bijih besi, (v) pelet khusus digunakan sebagai masukan bijih besi, (vi) campuran gas pengurang / gas dipanaskan sebelum injeksi ke dalam shaft, (viii) produk dapat berupa DRI atau HBI (hot briquetted iron), dan (ix) DRI/HBI dicampur dengan limbah baja daur ulang dalam EAF.

Proses HYBRIT telah dievaluasi konsumsi energi dari ujung ke ujung yang terkait dengan baik rantai pasokan baru dan kasus referensi dari blast furnace. Analisis juga mencakup aktivitas pertambangan untuk mengekstrak bijih besi dari tanah. Menurut analisis ini, blast furnace 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 sambil mengonsumsi sekitar 50 kg hidrogen, yang pada gilirannya menggunakan 2.633 kWh daya listrik. Ini menunjukkan efektivitas pengurangan emisi sebesar 32 kg CO2 per kg H2.

Meskipun ini adalah perhitungan yang akurat dari pengurangan emisi yang tercapai untuk hidrogen yang dikonsumsi, proses DRI menciptakan produk besi spong sementara yang harus diproses dalam electric arc furnace (EAF) untuk menghasilkan baja mentah, produk akhir dari BOF. Untuk menormalisasi perbandingan dengan penggunaan akhir hidrogen lainnya, konsumsi listrik dalam EAF sebesar 855 kWh per ton baja mentah dapat digunakan untuk menghasilkan 16 kg hidrogen lagi, yang berimplikasikan efektivitas ternormalisasi sebesar 24 kgCO2 per kg H2. Gambar 4 menunjukkan perbandingan pembuatan baja BF-BOF dengan proses HYBRIT.

Gambar 4: Perbandingan pembuatan baja BF-BOF dengan proses HYBRIT.

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

Pergeseran menuju baja berbasis hidrogen tidak dapat terjadi semalam. Selanjutnya saat ini, hanya ada satu teknologi produksi utama yang tersedia yang dapat dimanfaatkan untuk mencapai industri baja netral karbon. Ketersediaan energi murah dari terbarukan dan masalah regulasi akan menjadi dua penggerak kunci untuk adopsi baja berbasis hidrogen. Meskipun tujuan untuk menjadi netral karbon masih sekitar 28 tahun ke depan, sangat penting untuk bertindak sekarang. Situs industri memiliki umur yang melebihi 50 tahun dan lintas waktu perencanaan investasi 10 hingga 15 tahun. Keputusan aset dan footprints harus dibuat sekarang dan harus mengikuti peta jalan deskarbonisasi yang jelas. Peta jalan itu sendiri harus menggabungkan tujuan jangka panjang dengan quick wins yang dapat ditindaklanjuti untuk memungkinkan pergeseran bertahap menuju deskarbonisasi yang menjaga semua pemangku kepentingan tetap terlibat.

Secara keseluruhan, perpindahan tepat waktu dari karbon ke hidrogen dalam proses pembuatan baja memerlukan tindakan politik yang terkoordinasi dalam berbagai bidang, sekaligus mendorong naiknya harga karbon dan menurunnya harga hidrogen. Pada gilirannya, penurunan harga hidrogen membutuhkan pengembangan serangkaian langkah yang luas dan terkoordinasi. Langkah-langkah ini penting untuk mempromosikan baik permintaan hidrogen maupun peningkatan kapasitas pasokan sebagai bagian dari dorongan yang kohesif menuju ekonomi hidrogen.