Review Jurnal Sustainable

Review Jurnal

Life Cycle Assesment of a large-scale centrifugal compressor:

A case study in China

Oleh:

Shitong Peng, Tao Li, Mengmeng Dong, Junli Shi, Hongchao Zhang

Shenyang Blower Work Group Co., Ltd (SBW) memproduksi compressor sentrifugal dengan tipe PCL803. Compressor tersebut digunakan sebagai transmisi gas alam melalui pipa saluran di China. Pada proses produksi bahan baku hingga disposal, compressor sentrifugal ini menghabiskan banyak sumber daya dan mengkonsumsi listrik dalam jumlah besar. Oleh karena itu dengan metode Life Cycle Assesment (LCA), dilakukan investigasi mengenai life cycle dari compressor sentrifugal dan pendeteksian potensi mengenai adanya dampak yang dihasilkan terhadap lingkungan.

1.      Goal and Scope Definition

Objek penelitian studi kasus ini adalah PCL803 large-scale centrifugal compressor, overall milled impeller, dan welded impeller. Compressor mempunyai panjang sebesar 4 meter dan berat sebesar 70 ton.

Tujuan studi kasus:

-          Menghitung konsumsi sumber daya dan emisi yang dikeluarkan oleh PCL803 compressor sentrifugal ke lingkungan.

-          Menilai overall milled impeller dan welded impeller, kemudian menentukan impeller yang lebih ramah lingkungan serta biaya impeller yang lebih efektif dalam produksi compressor sentrifugal.

-          Agar perusahaan compressor memperoleh informasi mengenai proses produksi compressor supaya tidak menimbulkan emisi. Selain itu studi kasus ini bertujuan agar perusahaan-perusahaan compressor mempunyai bahan pertimbangan lebih labjut untuk mengambil keputusan.

Compressor ini dipasang di depo suplai pasokan gas alam yang digunakan untuk transfer gas alam dengan menggunakan tekanan tinggi saat mengoperasikan pipa saluran.

Function = mengumpulkan fluida gas dengan tekanan dan temperatur rendah yang kemudian dikonversi menjadi fluida gas yang berisi tekanan udara dengan temperatur tinggi.

Functional Unit = jumlah gas alam yang dikonversi.

Compressor bekerja 24 jam dalam sehari. Diestimasikan kondisi dan aliran massa gas alam yang dikirimkan selama periode garansi 5 tahun sebesar 239,93 kg/s dan 37,832,162 t. Oleh karena itu, Function Unit nya adalah PCL803 compressor sentrifugal yang mengirimkan  gas alam sebesar 37,832,162 t.

Cutoff criteria = pemanfaatan dalam praktik LCA untuk menentukan data apa yang penting dan yang tidak penting pada suatu sistem.

Diasumsikan jika data suatu proses atau aliran kurang dari 1% dari total massa input dan output life cycle inventory model maka dapat dikeluarkan dari proses pelacakan data lebih lanjut.

Selain itu proses dan massa yang diabaikan sebaiknya tidak lebih dari 5% dari total input dan output.

Data collection

Latar data dalam studi kasus ini merujuk pada data yang menjadi perhatian utama seperti data yang diinvestigasi di perusahaan SBW mengenai manufacturing, transportasi, usage, dan disposal. Hal tersebut disebabkan karena latar belakang data studi kasus ini mengenai emisi lingkungan dan konsumsi sumber daya per kWh, transportasi per t* km, bahan baku per kg seperti stainless steel, alloy, carbon steel, dan lain-lain. Data mengenai transportasi, carbon steel, alloy, stainless steel, dan konsumsi listrik diperoleh dari CLCD (China Life Cycle Database) yang mempunyai 600 data mengenai teknologi di market China.

2.      Life Cycle Inventory

a.       Bahan Baku

PCL803 compressor sentrifugal terdiri atas: 1 spindle, 3 impellers, 4 space sleeves, 1 balance plate, 1 inlet/outlet wind tunnel, 1 barrel, dan accessories lainnya.

Steel plate dipotong dan dibentuk. Kemudian steel plate dilakukan pengelasan pada barrel tanpa bantuan mesin. Semua komponen compressor diproduksi oleh SBW kecuali gasket. Gasket terbuat dari rubber.  Komponen-komponen tersebut dibuat oleh material yang beragam yaitu alloy, stainless steel, dan carbon steel. Workblanks dari compressor mengandung 14.8t alloy, 63.8t stainless steel, dan 47.5 kg carbon steel.

b.      Transportasi

Pemasok bahan baku SBW adalah Qiqihar yang terletak di provinsi Heilongjiang (782 km dari Shenyang). Pembuatan PCL803 compressor sentrifugal mengkonsumsi bahan baku sebanyak 79 t. Customer dari SBW bermacam-macam baik di China maupun luar negeri. Compressor sentrifugal dengan berat 62.5t sebagian besar didistribusikan sepanjang pipa saluran transmisi gas alam di kota Lanzhou yang berjarak dari Shenyang sebesar 2156 km. Pada studi kasus ini dianggap bahwa customer SBW berasal dari kota Lanzhou. Dampak lingkungan yang disebabkan oleh transportasi ini berhubungan dengan tipe kendaraan dan bahan bakar yang digunakan. Selain itu dihipotesiskan bahwa semua tipe kendaraan adalah truk diesel dengan kapasitas sebesar 10t.

c.       Compressor Manufacturing

Komponen compressor seperti barrel, spindle, space sleeves, balance plate, dan thrust plate harus menjalani prosedur mesin yang kompleks seperti pembubutan, milling, grinding, proses pemanasan, dan proses deteksi adanya kecacatan. Sebelum proses assembly compressor harus dilakukan proses pengujian keseimbangan impeller dan seluruh komponen rotor. Karena comopressor sentrifugal yang dihasilkan berukuran besar, komponen compressor yang cukup kompleks, dan proses permesinannya yang rumit maka proses pengumpulan data dalam studi kasus LCA ini harus benar-benar akurat. Energi yang dikonsumsi secara keseluruhan pada tahapan di compressor manufacturing secara kasar dilakukan dengan mengalikan practical power dengan peralatan yang relevan dengan waktu kerja setiap komponen selama proses produksi.Energi yang digunakan untuk memproduksi accessories diestimasikan dengan konsumsi energi pada part komponen dan karakteristik yang mirip selama proses permesinan berlangsung. Konsumsi energi dihitung dengan rumus sebagai berikut:

Keterangan:

E = konsumsi listrik per parts dalam produksi

Mi = massa suatu part pada proses i

Mi-1 = massa suatu part pada proses i-1

Ei = konsumsi energi per kg atau cm3 pada metal removed proses i

N = kuantitas dari proses dalam produksi part

Tabel 2 merepresentasikan konsumsi listrik pada masing-masing komponen. Pada proses cutting fluid recycled pada circulatory system tidak dipertimbangkan dalam studi kasus ini karena mengalami kesulitan dalam pengumpulan datanya. Sementara itu emisi yang dikeluarkan ke atmosfer secara langsung seperti polusi modicum yang dilepas saat proses pemanasan juga diabaikan karena memenuhi cutoff criteria. Minyak dan air yang digunakan dalam proses quenching juga diabaikan dalam studi kasus ini karena kedua bahan tersebut tertahan dalam sistem recycling.

d.      A brief life cycle inventory comparison of impellers

Pembuatan compressor sentrifugal di SBW melibatkan tiga impeller yaitu overall milled impeller dan sisanya adalah shrouded impeller. Proses pembuatan overall milled impeller menghasilkan metal waste sebanyak 2574 kg. Shrouded impeller dengan diameter 720 mm dan berat 112 kg. Shrouded impeller dipilih SBW untuk diproduksi dengan milling daripada welding. Kemudian jenis impeller yang lain adalah welded impeller. Welded impeller dilakukan dengan proses pengelasan impeller disk, 13 blades, dan impeller cover.

Life cycle stages dari impellers yaitu ekstraksi bahan baku, transportasi, manufacturing, metal cutting disposal, dan end-of-life disposal of impellers.

Overall milled impeller dan welded impeller terbuat dari bahan yang sama yaitu 15Cr2Mo1 dan massa yang identik.

Pada fase usage, kedua impeller tersebut mempunyai kecepatan rotasi yang sama dan menjalani tekanan dalam menaikkan tekanan gas yang sama (dari 7.1 MPa sampai 11.95 MPa.

Performa kerja kedua impeller tersebut juga sama. Pada umumnya compressor menjalani serangkaian inspeksi dan proses maintenance.

Karena data mengenai maintenance yang sulit dikumpulkan dan jumlah konsumsi energi dan emisi yang dikeluarkan selama maintenance sering diabaikan maka fase usage untuk maintenance tidak dipertimbangkan dalam studi kasus ini. Karena SBW tidak pernah menggunakan welded impeller, maka data mengenai welded impeller hanya dikumpulkan berdasarkan pengalaman para pekerja dan engineer mengenai komponen impeller. Berikut merupakan data utama dalam proses manufacturing impeller:

Proses welding menghabiskan welding rod sebanyak 20 kg. Workblank dari overall milled impeller adalah 929 kg dan welded impeller sekitar 501 kg.

Overall milled impeller dapat bertahan hingga 20 tahun  sedangkan welded impeller bertahan hingga 5 tahun jika tidak ada failure selama penggunaannya. Sehingga FU dari impeller dapat didefinisikan Ф720mm impeller compressor PCL803 yang meningkatkan tekanan gas alam (aliran massanya 239.93 kg/s) dari 7.1 MPa hingga 11.95 MPa dengan daya tahan selama 20 tahun.

Untuk memenuhi FU tersebut maka overall milled impeller yang dibutuhkan sebanyak 1 buah dan welded impeller sebanyak 4 buah.

Perbandingan inventory analysis kedua impeller ini ditunjukkan pada bagian paling kanan dari tabel berikut:

e.       Usage

Berdasarkan survey yang dilakukan oleh penulis, PCL803 compressor sentrifugal diperkenalkan ke market beberapa tahun yang lalu. Tidak seperti produksi kendaraan secara massal atau mesin dengan volume produksi yang kecil, data karakteristik secara statistik  mengenai rata-rata life span compressor tidak dapat diperoleh. Oleh karena itu berdasarkan pengalaman penggunaan sebuah compressor, life span compressor adalah sekitar 1-20 tahun.  Pada beberapa kasus tertentu life span compressor dapat berbeda sehingga dibuat skenario berikut:

Perhitungan mengenai konsumsi listrik dalam fase usage dibagi menjadi dua parameter yaitu nilai daya alat tersebut dan waktu operasinya. Pada PCL803 compressor sentrifugal dianggap memiliki life span 5 tahun dan tidak terjadi kegagalan dalam penggunaannya. Selain itu compressor dianggap bekerja selama 24 jam setiap harinya. Berdasarkan hal tersebut, maka total listrik yang digunakan sebesar 805,920 MW h. Compressor mempunyai daya yang tinggi sehingga konsumsi listrik per hari (441,696 kW h) dapat lebih dari konsumsi listrik keseluruhan proses manufacturing.

Oleh karena itu konsumsi energi terbesar terletak pada fase usage.

f.       End-of-life disposal

Lima alternatif perlakuan pada produk yang sudah tidak dapat digunakan adalah recycling, direct reuse, remanufacturing, repair, dan landfilling. Remanufacturing dari 5 pilihan tersebut merupakan pilihan yang mempunyai dampak paling kecil terhadap lingkungan. Proses remanufacturing compressor di China masih dalam tahap penelitian oleh National Basic Research Program of China. Berdasarkan hal tersebut maka proses remanufacturing masih belum dapat dilakukan di China karena teknologinya belum memadai (masih tahap penelitian). Selain itu perusahaan-perusahaan compressor meminta proses remanufacturing yang ketahanan dan keamanannya bagus. Oleh karena itu metode disposal pada compressor yang tidak terpakai adalah landfill dan remelting. Sekitar 38.6t komponen besi compressor yang tidak dapat dipakai lagi itu dikirim ke steelworks terdekat untuk proses remelting. Jarak dari tempat produksi compressor ke steelworks untuk remelting dan landfilling adalah 30-33 km.

Sekitar 16.1t dari produksi cutting selama proses permesinan compressor juga dikirim ke steelworks terdekat dengan jarak 49 km dari SBW. Remelting menggunakan frekuensi GW-1T yang mengkonsumsi listrik 600 kW h untuk melelehkan 1 t alloy atau steel. Diharapkan bahwa dari proses remelting, steel tersebut dapat digunakan sebagai bahan baku untuk compressor lainnya atau open-loop recycle system. Sekitar 50% bahan baku digunakan untuk produksi compressor sentrifugal dan 50% sisanya yaitu steel hasil proses remelting  dialokasikan untuk compressor lain (menganut metode yang diajukan oleh Society of Environmental Toxicology and Chemistry atau SETAC).

3.      Life Cycle Impact Analysis

Dampak compressor terhadap lingkungan pada studi kasus ini dikategorikan menjadi enam indikator:

a.       Primary Energy Demand (PED)

b.      Global Warming Potential (GWP)

c.       Acidification Potential (AP)

d.      Eutrophication Potential (EP)

e.       Ozone Layer Depletion Potential (ODP)

f.       Photochemical Ozone Creation Potential (POCP)

Kemudian digunakan characterization factors untuk mengkonversikan hasil life cycle inventory ke dalam 6 indikator karakteristik dampak terhadap lingkungan. Contoh characterization factors tersebut adalah coal, crude oil, dan natural gas (gas alam) yang terhubung dengan indikator PED.

Berikut merupakan hasil characterization factors dan potensi dampak compressor terhadap lingkungan:

Berikut merupakan dampak lingkungan dari compressor dengan membandingkan dampak dari overall milled impeller dan welded impeller:

4.      Interpretation

a.       Interpretasi tentang compressor sentrifugal

Berdasarkan tabel 6, diketahui sumber daya yang dikonsumsi sebesar 3.23 x 10⁸ kg ce dan sebesar 1.45 x 10⁹ kg CO₂ eq yang dilepaskan ke lingkungan. Emisi sebesar 1.45 x 10⁹ kg CO₂ eq tersebut merupakan emisi yang paling besar di antara lainnya. Berikut merupakan dampak lingkungan pada setiap life cycle stages compressor sentrifugal:

 

Fase usage compressor sentrifugal menduduki peringkat pertama sebagai kontributor yang memberikan dampak terhadap lingkungan. Hal tersebut disebabkan karena konsumsi daya listrik compressor sentrifugal yang tinggi. Konsumsi daya listrik tersebut sebanding dengan life span compressor sentrifugal yang cukup lama yaitu 5 tahun. Setiap tahunnya konsumsi listrik yang digunakan untuk compressor sentrifugal adalah sebesar 161,184 MW h. Oleh karena itu diperlukan optimasi struktur kelistrikan compressor sentrifugal dan pemanfaatan sumber energi yang dapat diperbarui agar secara efektif dapat mengurangi dampak lingkungan yang dihasilkan compressor sentrifugal.

-          Analisis konsumsi sumber daya dan energi

Telah diketahui bahwa fase usage merupakan fase yang paling banyak mengkonsumsi sumber daya dan listrik dibandingkan fase lainnya. Kemudian peringkat kedua yang turut memberikan dampak kepada lingkungan adalah fase produksi bahan baku. Produksi bahan baku membutuhkan material dalam jumlah yang sangat besar sehingga proses produksinya berdampak emisi kepada lingkungan. Sekitar 80 t metal dikonsumsi pada setiap proses produksi compressor sentrifugal dimana sehari-harinya SBW menggunakan overall milled impeller dengan rata-rata pemakaian material sebesar 12,8%. Peringkat ketiga yang turut memberikan dampak kepada lingkungan adalah fase manufacturing. Manufacturing menggunakan konsumsi listrik yang besar karena prosesnya yang rumit karena melibatkan komponen mesin, terutama impeller yang cukup banyak mengkonsumsi listrik. Fase berikutnya adalah fase transportasi. Pada fase transportasi nilai indikator EP dan POCP lebih tinggi dibandingkan indikator lainnya. Hal tersebut disebabkan karena jarak yang ditempuh untuk transportasi cukup jauh dan mengangkut barang-barang yang berat pula. Fase yang paling sedikit memberikan dampak terhadap lingkungan adalah fase end-of-life disposal. Fase disposal juga mengkonsumsi listrik untuk proses remelted komponen yang berat seperti steel dan alloy.

-          Analisis emisi

Emisi yang berdampak ke lingkungan didominasi oleh fase usage dengan konsumsi listrik pada jumlah yang besar. Listrik di China secara umum bergantung pada hard coal dimana proses produksi dan pembakarannya melepaskan greenhouse gases seperti CO, CO₂, CH₄, dan NO_X. Meskipun teknologi desulfurisasi dan teknologi yang mengontrol HCL telah diterapkan dalam proses pembakaran hard coal, masih terdapat gas-gas polutan seperti SO_2, H₂S, dan HCL. Telah diketahui bahwa fase usage memberikan emisi terbesar kepada lingkungan, maka analisis emisi selanjutnya ini akan membahas fase-fase lainnya. Berikut merupakan tabel persentase dampak lingkungan untuk fase selain usage:

Berdasarkan tabel tersebut, produksi bahan baku menempati peringkat pertama sebagai kontributor emisi pada lingkungan. Hal tersebut disebabkan karena pada proses produksi bahan baku terdapat proses ekstraksi mineral, proses metalurgical, dan proses forging. Proses-proses tersebut menghasilkan gas seperti  CO₂, CH₄, dan NO_X. Kemudian fase manufacturing mempunyai nilai indikator tinggi pada PED, GWP, dan AP karena manufacturing mengkonsumsi listrik dalam jumlah yang besar. Fase berikutnya adalah transportasi. Pada fase transportasi terjadi pembakaran bahan diesel sehingga fase ini menghasilkan NO_X yang menyebabkan eutrofikasi. Fase terakhir adalah end-of-life disposal menjadi fase yang paling sedikit memberikan emisi karena penggunaan listriknya paling kecil.

b.      Interpretasi tentang impellers

Welded impeller lebih ramah lingkungan daripada overall milled impeller. Hal tersebut terbukti pada tabel 7 dimana emisi yang dikeluarkan welded impeller lebih kecil daripada overall milled impeller, dan overall milled impeller hanya unggul pada indikator POCP. Perbedaan keduanya terletak pada tingkat penggunaan material, penggunaan listrik, dan waktu service. Overall milled impeller langsung dilakukan proses milling dari workblank yang sangat besar dengan mesin five-axis CNC milling, penggunaan material sebesar 12%, dan konsumsi listrik sebesar 42,896.4 kW h. Sedangkan welded impeller dilakukan proses welding dengan blades, impeller cover, dan impeller disk. Penggunaan material welded impeller sebanyak 22,4% dan konsumsi listriknya sama dengan overall milled impeller sebesar 42,896.4 kW h.

Meskipun welded impeller lebih baik daripada overall milled impeller, welded impeller belum pernah diaplikasikan dan dibuktikan bahwa ketahanannya tinggi dan property demand. Welded impeller masih perlu dilakukan analisis kegagalan mengenai impeller, perhitungan secara teoritis, dan simulasi pada compressor sentrifugal. Compressor sentrifugal termasuk dalam large-scale compressor yang diaplikasikan pada pipa saluran yang panjang seperti pipa saluran gas. Apabila terjadi kegagalan pada welded impeller maka akan menyebabkan kerugian secara ekonomi dan datangnya bencana.

c.       Completeness check

Berdasarkan system boundary, completeness check harus diverifikasi bahwa data yang dibutuhkan dalam studi kasus ini tersedia dan lengkap. Mayoritas data mengenai material yang masuk dan produksi bahan baku, manufacturing, usage, dan transportasi diperoleh dari investigasi dan perhitungan. Informasi mengenai lingkungan dan emisi yang dihasilkan diperoleh dari database.

d.      Consistency check

Tujuan dari consistency check adalah untuk menentukan model, asusmsi, dan metode pengumpulan data terhadap proses LCA yang konsisten didefinisikan oleh system boundary. Sebagian besar data mempunyai representasi yang baik karena sesuai dengan keadaan di China. Compressor didistribusikan sepanjang pipa saluran gas alam di kota Lanzhou yang berjarak 2156 km dari SBW. Namun, sentralisasi lokasi tersebut tidak akurat. Selain itu data welding mengenai welded impeller merupakan produk yang belum umum juga dapat menyebabkan konsistensi yang tidak akurat. Oleh karena itu diperlukan analisis sensivitas untuk mengukur konsistensi dari faktor-faktor dalam studi kasus. Berikut rumusnya:

Keterangan:

O_m = hasil akhir potensi dampak lingkungan dari indikator m

I_n = data asli pada inventory yang mengindikasikan faktor yang tidak konsisten

∆O_m = variasi dari O_m

∆I_n = variasi dari I_n

Pada studi kasus ini digunakan variasi sebesar 5%.

Analisis sensivitas bertujuan untuk mengukur tingkat perubahan dari indikator dampak terhadap lingkungan dengan variasi yang ada. Berikut hasil analisis sensivitas pada data yang tidak konsisten:

5.      Discussion and Conclusion

Studi kasus ini membahas mengenai LCA pada PCL803 compressor sentrifugal yang diproduksi oleh Shenyang Blower Work Group Co., Ltd. Fase usage, produksi bahan baku, dan proses manufacturing merupakan tiga fase pada compressor sentrifugal yang memberikan dampak terhadap lingkungan berupa emisi. Berdasarkan perbandingan LCA pada komponen impeller compressor sentrifugal, welded impeller lebih unggul daripada overall milled impeller karena welded impeller lebih ramah lingkungan dengan tidak menghasilkan banyak emisi.

Berdasarkan berat compressor yang besar, maka ada peluang besar untuk melakukan konservasi material. Ketepatan proses forging dan casting, serta optimasi perencanaan perlu dilakukan untuk menghemat material dan mengurangi dampak material terhadap lingkungan. Selain itu juga diperlukan pengembangan efisiensi service dan kondisi kerja compressor sentrifugal untuk menghemat energi pada fase usage. Proses produksi yang lebih bersih dapat meminimalkan emisi yang berdampak ke lingkungan.

Pembangkit listrik juga menjadi faktor yang dapat menimbulkan emisi ke lingkungan berupa polusi. Listrik di China masih bergantung dengan hard coal, sehingga dalam jangka waktu ke depan perlu dibuat pengembangan teknologi bahan coal yang bersih, sesuai dengan struktur energi, dan penggunaan sumber daya yang diperbarui untuk konsumsi listrik.

Hasil dari aplikasi LCA ini diharapkan dapat membantu perusahaan compressor dalam mengidentifikasi emisi yang dihasilkan terhadap lingkungan dan konsumsi listrik yang efisien untuk mengurangi dampak produksi compressor terhadap lingkungan. Sedangkan bagi desainer compressor, diharapkan bahwa studi kasus ini menjadi informasi mengenai konsumsi energi pada compressor dan impeller pada setiap fasenya sehingga desainer compressor ke depannya dapat membuat desain compressor dengan memperhatikan sudut pandang life cycle compessor itu sendiri.