Orang telah menggunakan energi biomassa — energi dari makhluk hidup — sejak “manusia gua” paling awal pertama kali membuat kayu bakar untuk memasak atau menghangatkan diri.Biomassa bersifat organik artinya terbuat dari bahan yang berasal dari organisme hidup, seperti tumbuhan dan hewan. Bahan biomassa yang paling umum digunakan untuk energi adalah tumbuhan, kayu, dan limbah. Ini disebut bahan baku biomassa. Energi biomassa juga bisa menjadi sumber energi tak terbarukan.Biomassa mengandung energi yang pertama kali berasal dari matahari: Tumbuhan menyerap energi matahari melalui fotosintesis, dan mengubah karbon dioksida dan air menjadi nutrisi (karbohidrat).
Energi dari organisme ini dapat diubah menjadi energi yang dapat digunakan melalui cara langsung dan tidak langsung. Biomassa dapat dibakar untuk menghasilkan panas (langsung), diubah menjadi listrik (langsung), atau diolah menjadi biofuel (tidak langsung).
Konversi Termal
Biomassa dapat dibakar dengan konversi termal dan digunakan untuk energi. Konversi termal melibatkan pemanasan bahan baku biomassa untuk membakar, mengeringkan, atau menstabilkannya. Bahan baku biomassa yang paling dikenal untuk konversi termal adalah bahan mentah seperti limbah padat perkotaan (MSW) dan sisa-sisa dari pabrik kertas atau kayu.Berbagai jenis energi diciptakan melalui penembakan langsung, penembakan bersama, pirolisis, gasifikasi, dan dekomposisi anaerobik.Namun, sebelum biomassa dapat dibakar, biomassa harus dikeringkan. Proses kimiawi ini disebut torrefaction. Selama torrefaction, biomassa dipanaskan hingga sekitar 200 ° hingga 320 ° Celcius (390 ° hingga 610 ° Fahrenheit). Biomassa benar-benar mengering sehingga kehilangan kemampuan untuk menyerap kelembapan, atau membusuk. Ia kehilangan sekitar 20% dari massa aslinya, tetapi mempertahankan 90% energinya. Energi dan massa yang hilang dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk proses torrefaction.
Selama torrefaction, biomassa menjadi material yang kering dan menghitam. Ini kemudian dikompresi menjadi briket. Briket biomassa sangat hidrofobik, artinya mereka menolak air. Ini memungkinkan untuk menyimpannya di area yang lembab. Briket memiliki kepadatan energi yang tinggi dan mudah terbakar selama pembakaran langsung atau bersama.
Penembakan Langsung dan Penembakan BersamaKebanyakan briket dibakar secara langsung. Uap yang dihasilkan selama proses pembakaran menggerakkan turbin, yang memutar generator dan menghasilkan listrik. Listrik ini dapat digunakan untuk membuat atau memanaskan bangunan.Biomassa juga bisa dibakar bersama, atau dibakar dengan bahan bakar fosil. Biomassa paling sering digunakan bersama di pembangkit listrik tenaga batubara. Pembakaran bersama menghilangkan kebutuhan akan pabrik baru untuk memproses biomassa. Pembakaran bersama juga memudahkan permintaan batu bara. Ini mengurangi jumlah karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya yang dilepaskan oleh pembakaran bahan bakar fosil.PirolisisPirolisis adalah metode terkait pemanasan biomassa. Selama pirolisis, biomassa dipanaskan hingga 200 ° hingga 300 ° C (390 ° hingga 570 ° F) tanpa kehadiran oksigen. Ini mencegahnya dari pembakaran dan menyebabkan biomassa diubah secara kimiawi.
Pirolisis menghasilkan cairan gelap yang disebut minyak pirolisis, gas sintetis yang disebut syngas, dan residu padat yang disebut biochar. Semua komponen ini dapat digunakan untuk energi.
Minyak pirolisis, kadang-kadang disebut bio-oil atau biocrude, adalah sejenis tar. Ini dapat dibakar untuk menghasilkan listrik dan juga digunakan sebagai komponen bahan bakar dan plastik lainnya. Ilmuwan dan insinyur sedang mempelajari minyak pirolisis sebagai alternatif yang mungkin untuk minyak bumi.Syngas dapat diubah menjadi bahan bakar (seperti gas alam sintetis). Itu juga dapat diubah menjadi metana dan digunakan sebagai pengganti gas alam.Biochar adalah sejenis arang. Biochar adalah padatan kaya karbon yang sangat berguna di bidang pertanian. Biochar memperkaya tanah dan mencegahnya melepaskan pestisida dan nutrisi lain ke dalam limpasan. Biochar juga merupakan penyerap karbon yang sangat baik. Carbon sinks adalah reservoir untuk bahan kimia yang mengandung karbon, termasuk gas rumah kaca.GasifikasiBiomassa juga dapat langsung diubah menjadi energi melalui gasifikasi. Selama proses gasifikasi, bahan baku biomassa (biasanya MSW) dipanaskan hingga lebih dari 700 ° C (1.300 ° F) dengan jumlah oksigen yang terkontrol. Molekul memecah, dan menghasilkan syngas dan slag.Syngas adalah kombinasi hidrogen dan karbon monoksida. Selama gasifikasi, syngas dibersihkan dari sulfur, partikulat, merkuri, dan polutan lainnya. Syngas bersih dapat dibakar untuk panas atau listrik, atau diolah menjadi biofuel transportasi, bahan kimia, dan pupuk.
Terak berbentuk cairan seperti kaca dan cair. Dapat digunakan untuk membuat sirap, semen, atau aspal.
Pabrik gasifikasi industri sedang dibangun di seluruh dunia. Asia dan Australia sedang membangun dan mengoperasikan sebagian besar pabrik, meskipun salah satu pabrik gasifikasi terbesar di dunia saat ini sedang dibangun di Stockton-on-Tees, Inggris. Pabrik ini pada akhirnya akan mampu mengubah lebih dari 350.000 ton MSW menjadi energi yang cukup untuk memberi daya pada 50.000 rumah.Dekomposisi AnaerobikDekomposisi anaerob adalah proses di mana mikroorganisme, biasanya bakteri, memecah materi tanpa oksigen. Dekomposisi anaerobik adalah proses penting di tempat pembuangan sampah, di mana biomassa dihancurkan dan dikompresi, menciptakan lingkungan anaerobik (atau miskin oksigen).Dalam lingkungan anaerobik, biomassa membusuk dan menghasilkan metana, yang merupakan sumber energi yang berharga. Metana ini bisa menggantikan bahan bakar fosil.
Selain tempat pembuangan sampah, dekomposisi anaerobik juga dapat diterapkan pada peternakan dan peternakan. Kotoran dan kotoran hewan lainnya dapat diubah untuk memenuhi kebutuhan energi peternakan secara berkelanjutan.
Biofuel
Biomassa merupakan satu-satunya sumber energi terbarukan yang dapat diubah menjadi bahan bakar nabati cair seperti etanol dan biodiesel. Biofuel digunakan untuk menggerakkan kendaraan, dan diproduksi dengan cara gasifikasi di negara-negara seperti Swedia, Austria, dan Amerika Serikat. Etanol dibuat dengan memfermentasi biomassa yang tinggi karbohidrat, seperti tebu, gandum, atau jagung. Biodiesel dibuat dari kombinasi etanol dengan lemak hewani, lemak daur ulang, atau minyak nabati.Biofuel tidak beroperasi seefisien bensin. Namun, bahan bakar tersebut dapat dicampur dengan bensin untuk menggerakkan kendaraan dan mesin secara efisien, dan tidak melepaskan emisi yang terkait dengan bahan bakar fosil.Etanol membutuhkan hektar lahan pertanian untuk menanam tanaman hayati (biasanya jagung). Sekitar 1.515 liter (400 galon) etanol diproduksi oleh satu hektar jagung. Tetapi areal ini kemudian tidak tersedia untuk bercocok tanam untuk makanan atau kegunaan lain. Menanam jagung yang cukup untuk etanol juga menimbulkan tekanan pada lingkungan karena kurangnya variasi dalam penanaman, dan tingginya penggunaan pestisida.
Etanol telah menjadi pengganti kayu yang populer di perapian perumahan. Ketika dibakar, ia mengeluarkan panas dalam bentuk nyala api, dan uap air, bukan asap.
Biochar
Biochar, diproduksi selama pirolisis, sangat berharga dalam penggunaan pertanian dan lingkungan.Ketika biomassa membusuk atau terbakar (secara alami atau oleh aktivitas manusia), ia melepaskan metana dan karbon dioksida dalam jumlah besar ke atmosfer. Namun, ketika biomassa hangus, ia menyerap, atau menyimpan, kandungan karbonnya. Ketika biochar ditambahkan kembali ke tanah, biochar dapat terus menyerap karbon dan membentuk simpanan karbon bawah tanah yang besar — penyerap karbon — yang dapat menyebabkan emisi karbon negatif dan tanah yang lebih sehat.Biochar juga membantu memperkaya tanah. Itu keropos. Saat ditambahkan kembali ke tanah, biochar menyerap dan menahan air dan nutrisi.
Biochar digunakan di hutan hujan Amazon Brasil dalam proses yang disebut tebang-dan-arang. Pertanian tebang-dan-arang menggantikan tebang-dan-bakar, yang untuk sementara meningkatkan nutrisi tanah tetapi menyebabkan kehilangan 97% kandungan karbonnya. Selama tebang-dan-arang, tanaman yang hangus (biochar) dikembalikan ke tanah, dan tanah menahan 50% karbonnya. Ini meningkatkan kualitas tanah dan menyebabkan pertumbuhan tanaman yang jauh lebih tinggi.
Minuman Keras Hitam
Saat kayu diolah menjadi kertas, kayu menghasilkan zat beracun berenergi tinggi yang disebut minuman keras hitam. Hingga tahun 1930-an, minuman keras hitam dari pabrik kertas dianggap sebagai produk limbah dan dibuang ke sumber air terdekat.Namun, cairan hitam mempertahankan lebih dari 50% energi biomassa kayu. Dengan penemuan boiler pemulihan pada tahun 1930-an, cairan hitam dapat didaur ulang dan digunakan untuk menyalakan pabrik. Di AS, pabrik kertas menggunakan hampir semua minuman keras hitam mereka untuk menjalankan pabrik mereka, dan sebagai hasilnya, industri kehutanan menjadi salah satu yang paling hemat energi di negara ini.
Baru-baru ini, Swedia telah bereksperimen dalam pembuatan gas black liquor untuk menghasilkan syngas, yang kemudian dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.
Sel Bahan Bakar Hidrogen
Biomassa kaya akan hidrogen, yang dapat diekstraksi secara kimiawi dan digunakan untuk menghasilkan tenaga dan bahan bakar kendaraan. Sel bahan bakar stasioner digunakan untuk menghasilkan listrik di lokasi terpencil, seperti pesawat ruang angkasa dan daerah hutan belantara. Taman Nasional Yosemite di negara bagian California AS, misalnya, menggunakan sel bahan bakar hidrogen untuk menyediakan listrik dan air panas ke gedung administrasinya.
Sel bahan bakar hidrogen mungkin memiliki potensi yang lebih besar sebagai sumber energi alternatif untuk kendaraan. Departemen Energi A.S. memperkirakan bahwa biomassa berpotensi menghasilkan 40 juta ton hidrogen per tahun. Ini akan cukup untuk mengisi bahan bakar 150 juta kendaraan.
Saat ini, sel bahan bakar hidrogen digunakan untuk menggerakkan bus, forklift, kapal, dan kapal selam, dan sedang diuji di pesawat terbang dan kendaraan lain.
Namun, ada perdebatan apakah teknologi ini akan berkelanjutan atau memungkinkan secara ekonomi. Energi yang diperlukan untuk mengisolasi, memampatkan, mengemas, dan mengangkut hidrogen tidak menyisakan banyak energi untuk penggunaan praktis.
Biomassa dan Lingkungan
Biomassa merupakan bagian integral dari siklus karbon bumi. Siklus karbon adalah proses pertukaran karbon di antara semua lapisan bumi: atmosfer, hidrosfer, biosfer, dan litosfer.Siklus karbon memiliki banyak bentuk. Karbon membantu mengatur jumlah sinar matahari yang masuk ke atmosfer bumi. Itu dipertukarkan melalui fotosintesis, dekomposisi, respirasi, dan aktivitas manusia. Karbon yang diserap oleh tanah saat organisme membusuk, misalnya, dapat didaur ulang saat tanaman melepaskan nutrisi berbasis karbon ke biosfer melalui fotosintesis. Dalam kondisi yang tepat, organisme yang membusuk dapat menjadi gambut, batu bara, atau minyak bumi sebelum diekstraksi melalui aktivitas alam atau manusia.Di antara periode pertukaran, karbon diasingkan, atau disimpan. Karbon dalam bahan bakar fosil telah diserap selama jutaan tahun. Ketika bahan bakar fosil diekstraksi dan dibakar untuk energi, karbon yang terserap dilepaskan ke atmosfer. Bahan bakar fosil tidak menyerap kembali karbon.Berbeda dengan bahan bakar fosil, biomassa berasal dari organisme yang baru hidup. Karbon dalam biomassa dapat terus dipertukarkan dalam siklus karbon.
Untuk memungkinkan Bumi secara efektif melanjutkan proses siklus karbon, bahan biomassa seperti tanaman dan hutan harus dibudidayakan secara berkelanjutan. Diperlukan waktu puluhan tahun bagi pohon dan tumbuhan seperti switchgrass untuk menyerap kembali dan menyimpan karbon. Mencabut atau mengganggu tanah bisa sangat mengganggu prosesnya. Persediaan pohon, tanaman pangan, dan tanaman lain yang stabil dan bervariasi sangat penting untuk memelihara lingkungan yang sehat.
Bahan Bakar Alga
Alga merupakan organisme unik yang memiliki potensi besar sebagai sumber energi biomassa. Alga, yang bentuknya paling dikenal adalah rumput laut, menghasilkan energi melalui fotosintesis pada tingkat yang jauh lebih cepat daripada bahan baku biofuel lainnya — hingga 30 kali lebih cepat daripada tanaman pangan!Alga dapat tumbuh di air laut, sehingga tidak menguras sumber daya air tawar. Ini juga tidak membutuhkan tanah, dan oleh karena itu tidak mengurangi lahan subur yang berpotensi untuk menanam tanaman pangan. Meskipun alga melepaskan karbon dioksida saat dibakar, ia dapat dibudidayakan dan diisi kembali sebagai organisme hidup. Saat diisi ulang, ia melepaskan oksigen, dan menyerap polutan dan emisi karbon.Alga membutuhkan lebih sedikit ruang dibandingkan tanaman biofuel lainnya. Departemen Energi AS memperkirakan bahwa hanya dibutuhkan sekitar 38.850 kilometer persegi (15.000 mil persegi, sebuah area yang kurang dari setengah luas negara bagian Maine di AS) untuk menumbuhkan cukup ganggang untuk menggantikan semua kebutuhan energi berbahan bakar minyak bumi di Amerika Serikat. .Alga mengandung minyak yang dapat diubah menjadi biofuel.
Di Aquaflow Bionomic Corporation di Selandia Baru, misalnya, alga diolah dengan panas dan tekanan. Ini menciptakan “minyak mentah hijau”, yang memiliki sifat serupa dengan minyak mentah, dan dapat digunakan sebagai biofuel.Pertumbuhan alga, fotosintesis, dan produksi energi meningkat saat karbon dioksida menggelembung melaluinya. Alga adalah filter luar biasa yang menyerap emisi karbon. Bioenergy Ventures, sebuah perusahaan Skotlandia, telah mengembangkan sistem di mana emisi karbon dari penyulingan wiski disalurkan ke kolam alga. Alga tumbuh subur dengan tambahan karbon dioksida. Ketika alga mati (setelah sekitar seminggu) mereka dikumpulkan, dan lipid (minyak) mereka diubah menjadi biofuel atau makanan ikan.
Alga memiliki potensi yang sangat besar sebagai sumber energi alternatif. Namun, memprosesnya menjadi bentuk yang dapat digunakan itu mahal. Meskipun diperkirakan menghasilkan 10 hingga 100 kali lebih banyak bahan bakar daripada tanaman biofuel lainnya, pada tahun 2010 harganya $ 5.000 per ton. Biaya kemungkinan besar akan turun, tetapi saat ini tidak terjangkau oleh sebagian besar negara berkembang.
Manusia dan Biomassa
Keuntungan
Biomassa adalah sumber energi yang bersih dan terbarukan. Energi awalnya berasal dari matahari, dan tumbuhan atau biomassa alga dapat tumbuh kembali dalam waktu yang relatif singkat. Pohon, tanaman, dan sampah kota tersedia secara konsisten dan dapat dikelola secara berkelanjutan.Jika pohon dan tanaman dibudidayakan secara berkelanjutan, mereka dapat mengimbangi emisi karbon saat menyerap karbon dioksida melalui respirasi. Dalam beberapa proses bioenergi, jumlah karbon yang diserap kembali bahkan melebihi emisi karbon yang dikeluarkan selama pemrosesan atau penggunaan bahan bakar.Banyak bahan baku biomassa, seperti switchgrass, dapat dipanen di lahan marginal atau padang rumput, di mana mereka tidak bersaing dengan tanaman pangan.Tidak seperti sumber energi terbarukan lainnya, seperti angin atau matahari, energi biomassa disimpan di dalam organisme, dan dapat dipanen saat dibutuhkan.KekuranganJika bahan baku biomassa tidak diisi ulang secepat mereka digunakan, mereka bisa menjadi tidak terbarukan.
Sebuah hutan, misalnya, membutuhkan waktu ratusan tahun untuk tumbuh kembali. Ini masih merupakan periode waktu yang jauh lebih singkat dibandingkan bahan bakar fosil seperti gambut. Hanya perlu 900 tahun hanya satu meter (3 kaki) gambut untuk memulihkan dirinya sendiri.Sebagian besar biomassa membutuhkan lahan subur untuk berkembang. Ini berarti bahwa lahan yang digunakan untuk tanaman bahan bakar nabati seperti jagung dan kedelai tidak tersedia untuk bercocok tanam atau menyediakan habitat alami.Kawasan hutan yang telah matang selama beberapa dekade (disebut “hutan tua”) mampu menyerap lebih banyak karbon daripada kawasan yang baru ditanami.
Oleh karena itu, jika kawasan hutan tidak ditebang, ditanami kembali, dan diberi waktu untuk menanam dan menyerap karbon, keuntungan menggunakan kayu untuk bahan bakar tidak diimbangi dengan pertumbuhan kembali pohon.Sebagian besar pabrik biomassa membutuhkan bahan bakar fosil agar efisien secara ekonomi. Sebuah pabrik besar yang sedang dibangun di dekat Port Talbot, Wales, misalnya, akan membutuhkan bahan bakar fosil yang diimpor dari Amerika Utara, mengimbangi sebagian dari keberlanjutan perusahaan.Biomassa memiliki “kepadatan energi” yang lebih rendah daripada bahan bakar fosil. Sebanyak 50% biomassa adalah air yang hilang dalam proses konversi energi.
Para ilmuwan dan insinyur memperkirakan bahwa tidak efisien secara ekonomi untuk mengangkut biomassa lebih dari 160 kilometer (100 mil) dari tempat pengolahannya. Namun, mengubah biomassa menjadi pelet (sebagai lawan dari serpihan kayu atau briket yang lebih besar) dapat meningkatkan kepadatan energi bahan bakar dan membuatnya lebih menguntungkan untuk dikirim.
Pembakaran biomassa melepaskan karbon monoksida, karbon dioksida, nitrogen oksida, dan polutan dan partikulat lainnya. Jika polutan ini tidak ditangkap dan didaur ulang, pembakaran biomassa dapat menimbulkan kabut asap dan bahkan melebihi jumlah polutan yang dilepaskan oleh bahan bakar fosil.