Teknologi Membran Pada Industri Pembangkit Listrik Berbahan Bakar Batubara

Nordjyllandsværket Power Station

Proses membran merupakan teknologi yang relatif baru jika dibandingkan dengan pengolahan partikulat konvensional seperti filtrasi menggunakan adsorben granular, serta pertukaran ion menggunakan resin ion exchange (IX) sebagai media deionisasi dalam pengolahan air baku di industri pembangkit listrik. Aplikasi membran dikelompokkan berdasarkan ukuran dan kegunanaanya, antara lain : Microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), hyperfiltration (HF) atau reverse osmosis (RO), electrodialysis (ED)/electrodialysis reversal (EDR), dan electrodeionization (EDI). Proses membrane terbaru seperti forward osmosis (FO), membrane distillation, dan electrodialysis metathesis (EDM) dapat memisahkan padatan yang dapat berupa partikel yang mengendap, terlarut atau bahkan berupa koloid sekalipun. Selain itu, membrane juga dapat memisahkan senyawa gas menggunakan membrane contactor (MC).

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) saat ini tidak terlepas dari batubara sebagai bahan bakar utama dikarenakan nilai kalornya yang sangat tinggi dibandingkan dengan biomassa dan bahan bakar padat lainnya. Namun, selain batubara dapat juga digunakan bahan bakar lain berupa bahan bakar lain berupa biomassa sebagai energi terbarukan meskipun nilai kalornya lebih kecil, ataupun gas alam berupa metana. Sumber energi lain dapat berasal dari reaksi fisi nuklir atau radioaktif uranium-235 dan uranium-238, serta bahan bakar alami yang berasal dari perut bumi atau geothermal

PLTU menggunakan kukus atau steam sebagai sumber energi mekanik pada turbin. Steam dihasilkan dari pemanasan air menggunakan berbagai sumber energi dari ketel uap atau boiler yang telah diatur temperatur dan tekanannya. Steam yang dihasilkan pun beragam, mulai dari steam biasa yang dikumpulkan dalam steam chamber untuk mengakumulasi tekanan, superheated steam dengan suhu dan tekanan yang lebih tinggi yang saat ini masih minim digunakan di Indonesia (PLTU Payton dan Cirebon), super critical atau bahkan ultra super critical yang memiliki tekanan dan temperatur ekstrim yang pemanfaatannya masih sangat terbatas, misalnya Changxing Power Plant di Tiongkok

Berbagai jenis steam di atas tidak terlepas dari teknologi sistem boiler, termasuk suplai air baku (feed water) di dalamnya, serta berbagai teknologi lain yang membuat sebuah PLTU dianggap sustainable, bukan hanya modern dari segi teknologi. Banyak permasalahan yang ditimbulkan oleh PLTU, khususnya batubara pada beberapa decade terakhir, terutama cemaran gas buang CO₂, NOx, SOx serta fly ash yang dapat menimbungkan pemanasan global, hujan asam dan mengotori lingkungan sekitar. Peneliti dan perekayasa telah berusaha untuk menemukan solusi dari permasalahan batubara yang dianggap kotor. Hal ini dilakukan untuk menjaga sumber energi ini agar tetap dapat digunakan secara optimal karena sektor bisnis yang jauh lebih menggiurkan dibandingkan sumber energi lainnya, terutama energy terbarukan. Bahkan, Amerika secara resmi mendeklarasikan dirinya untuk memerangi atau memboikot energy terbarukan, dan beralih pada clean coal technology.

Proses membran tentu memiliki peran yang amat penting dalam teknologi bersih batubara ini. Secara garis besar, pemanfaatan proses membran dalam PLTU antara lain :

·         Pengolahan air pada boiler feed water (BFW) dan injeksi NOx

·         Pemisahan gas terlarut dalam BFW

·         Pengolahan ulang BFW (Recycle)

·         recovery pada cooling tower blowdown

·         Zero liquid discharge atau limbah yang tidak mengandung konsentrat diatas baku mutu

PLTU memerlukan air yang benar-benar murni, lebih murni dibandingkan dari air minum kemasan. Kandungan mineral hingga ion dalam air harus dipisahkan (deionized) sebagai bahan baku produksi steam. Kualitas BFW akan menentukan kualitas steam, disamping unit operasi sistem tersebut yaitu peralatan dan perpipaan pada boiler. Kandungan tersebut harus dikurangi atau bahkan dihilangkan karena dapat menyebabkan scaling atau pembentukan kerak pada dinding boiler atau sistem perpipaan sehingga dapat merugikan industri tersebut.

Gambar 1. Standar baku mutu BFW

Membran RO terbukti dapat memisahkan garam terlarut dalam air baku, termasuk kandungan besi, silika. Selain proses pemisahakan, penambahan zat aditif dalam BFW perlu dilakukan untuk menjaga kualitas BFW saat recycle dilakukan, yakni ketika steam dikondensasikan menjadi BFW kembali. Semakin tinggi tekanan dalam boiler, maka semakin murni BFW yang harus digunakan. Sebelum masuk ke system RO, biasanya air baku akan diolah atau pre-treatment dengan beberapa metode, yaitu koagulasi, flokulasi, hingga klarifikasi agar pengotor-pengotor makro tidak menghambat kinerja RO. Pada tahap akhir, electrodeionization digunakan sebagai tahap akhir proses perurnian untuk mendapatkan ultra pure deionized water.

Selain digunakan sebagai bahan baku steam, air yang telah dimurnikan dapat berfungsi sebagai injeksi ke dalam ruang pembakaran untuk mengontrol gas buang NOx. Dikarenakan pembentukan NOx merupakan fungsi dari temperatur, untuk mengontrolnya diperlukan pendingin yang juga harus air murni untuk menurunkan temperatur api dalam sistem pembakaran (combustion).

Senyawa terlarut dalam air baku bukan hanya berupa mineral dan ion, namun juga gas berupa oksigen dan karbon dioksida. Adanya gas terlarut ini dapat menyebabkan korosi pada sistem boiler sehingga harus dihindari. Komponen pada proses membran ini yaitu membrane hidrofobik sehingga dapat memisahkan gas terlarut dari air yang melewatinya

Gambar 2. Sistem membrane pemisahan gas terlarut

Pada pembakaran sempurna hidrokarbon, akan dihasilkan CO₂ sebagai produk pembakaran. CO₂ menjadi perhatian utama pada semua PLTU yang menggunakan bahan bakar hidrokarbon. Gas tersebut berpotensi dalam pemanasan global dan merusak lapisan ozon. Oleh karena itu, keberadaan gas buang tersebut harus diminimalisir, salah satunya menggunakan membran hollow fiber.

Gambar 3. Process flow diagram pemisahan CO₂ dari flue gas PLTU

Teknologi membrane berperan sangat penting dalam clean coal technology. Dengan keberadaannya, PLTU akan menjadi lebih ramah lingkungan serta CO₂ yang dipisahkan dapat dimanfaatkan untuk berbagai kebutuhan industri sehingga memberikan nilai tambah

Sumber dan referensi :

[1] Merkel, Tim C, et al, 2009, Power plant post-combustion carbon dioxide capture  : An opportunity for membranes, Journal of membrane science, page : 134

[2] Fred Wiesler, Degasification of Boiler Feed Water with Liqui-Cel® Membrane Contactors

[3] Mike Henley, 2017, What Membrane Technology Applications Are Useful for Power Plant Water Treatment and Reuse