Teknologi penangkapan karbon:
Mengurangi polutan super untuk membatasi pemanasan global

Shan Daniel

Pemanasan global menimbulkan serangkaian risiko yang signifikan bagi manusia di Bumi. Planet ini memanas karena efek rumah kaca, atau gas-gas di atmosfer Bumi yang memerangkap radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan Bumi di dalam atmosfer. Gas utama yang berkontribusi terhadap efek ini adalah karbon dioksida, yang dipancarkan selama pembakaran bahan bakar hidrokarbon untuk energi. Potensi efek negatif dari emisi dan pemanasan yang tidak terkendali mengakibatkan peristiwa cuaca ekstrem, kerugian pertanian, dan banjir di wilayah pesisir karena mencairnya lapisan es kutub. Akibatnya, mengalihkan ketergantungan energi global ke sumber-sumber yang memitigasi dampak negatif perubahan iklim menjadi sangat penting dan sensitif terhadap waktu. Hal ini dapat dicapai dengan mengurangi ketergantungan global pada bahan bakar fosil dan zat-zat penghasil karbon lainnya dan beralih ke energi terbarukan, seperti tenaga surya, angin, hidroelektrik, pasang surut, dan nuklir, yang tidak melepaskan CO2 selama prosesnya (1).

Namun, sejak dimulainya Revolusi Industri, konsentrasi CO2 di atmosfer telah meningkat dari 280 ppm menjadi 430 ppm, setara dengan 1.18 × 10^12  tambahan metrik ton CO2 di atmosfer kita. Mengingat besarnya perubahan ini, menghilangkan emisi karbon dari atmosfer dan menyimpannya dengan cara yang menghilangkan dampaknya terhadap pemanasan global telah menjadi topik yang menarik bagi para ilmuwan iklim baru-baru ini.

Proses sekuestrasi karbon saat ini bertujuan untuk mengambil udara dari lingkungan dan mengonsentrasikannya untuk disimpan (2). Hal ini dapat dicapai melalui serangkaian empat reaksi: Reaksi 1 melibatkan pengaliran udara melalui larutan kalium hidroksida, di mana CO2 dapat bereaksi dengan air menjadi asam karbonat, yang mengalami netralisasi asam basa untuk menghasilkan kalium karbonat dan air. Reaksi 2 meregenerasi kalium hidroksida dengan mereaksikan kalium karbonat dengan kalsium hidroksida untuk menghasilkan kalsium karbonat, yang tidak larut dalam air. Pada reaksi 3, kalsium karbonat padat mengalami dekomposisi termal pada suhu yang sangat tinggi untuk menghasilkan kalsium oksida dan karbon dioksida, yang dipancarkan dari reaksi tersebut dalam lingkungan terkendali tempat kalsium karbonat dapat disimpan. Terakhir, reaksi 4 melibatkan kalsium oksida yang meregenerasi kalsium hidroksida ketika dilarutkan dalam air. Meskipun reaksi 1, 2, dan 4 merupakan reaksi eksergonik yang menguntungkan, dekomposisi termal kalsium karbonat sangat endotermik dan membutuhkan masukan energi yang sangat besar, sehingga membuat sekuestrasi karbon industri menjadi mahal dan sulit dipertahankan (3). Per metrik ton CO2 yang dihilangkan dari udara ambien, biayanya diperkirakan antara $600-$1000. Dengan hanya menggunakan teknologi penyerapan karbon yang ada saat ini, biaya untuk menghilangkan CO2 yang cukup untuk mengembalikan CO2 atmosfer ke tingkat pra-industri akan mencapai $708 triliun, atau sekitar 25 kali lipat PDB AS pada tahun 2023 (4).

Metodologi ini saat ini belum merupakan metode yang layak untuk memberikan dampak yang signifikan terhadap kadar CO2 di atmosfer kita. Inovasi dan peningkatan pada reaksi ketiga dari proses penyerapan karbon dan penyimpanan/penjualan CO2 yang dihasilkan dapat mengurangi biaya keseluruhan proses ini, sehingga memungkinkan implementasinya dalam skala yang lebih besar dan dampak positif yang lebih besar secara keseluruhan (4). Penangkapan metana, polutan super yang membahayakan kesehatan dan mendorong perubahan iklim, dapat melengkapi strategi penyerapan karbon dengan menargetkan polutan iklim jangka pendek yang menawarkan manfaat langsung bagi kesehatan dan iklim. Namun, dengan inovasi lebih lanjut untuk menciptakan proses yang lebih hemat biaya dan kombinasi dengan bentuk energi terbarukan lainnya, penyerapan karbon dapat menjadi alat penting untuk memitigasi dampak negatif perubahan iklim.

Salah satu metode berbasis biologis yang semakin dikenal dalam beberapa tahun terakhir adalah Pertanian Regeneratif (RA). Pertanian Regeneratif menawarkan pendekatan pertanian yang lebih terintegrasi dan berkelanjutan dengan berfokus pada pemulihan tanah dan keseimbangan ekologi jangka panjang (5). Berbeda dengan pertanian konvensional yang seringkali sangat bergantung pada pupuk dan pestisida kimia, RA menekankan praktik tradisional berbasis alam (6). Lima prinsip inti yang terutama diandalkan oleh pertanian regeneratif untuk meningkatkan kesehatan tanah adalah: meminimalkan gangguan tanah, memaksimalkan keanekaragaman tanaman, menjaga kelestarian tutupan tanah, menjaga akar tanaman tetap hidup di dalam tanah sepanjang tahun, dan mengintegrasikan ternak, seperti sapi, ke dalam sistem pertanian.

Meskipun menjadi salah satu pendekatan paling efektif untuk pertanian berkelanjutan dan penyimpanan karbon atmosfer, RA menghadapi beberapa hambatan dalam penerapannya secara luas (7). Pendekatan ini membutuhkan waktu yang lama dan pengelolaan yang cermat dan konsisten. Petani harus mengadopsi teknik-teknik baru dan mengembangkan pemahaman yang lebih mendalam tentang biologi tanah, interaksi tanaman, dan praktik-praktik berbasis ekosistem untuk mengelola lahan mereka secara efektif. Pergeseran ini seringkali membutuhkan pelatihan teknis dan komitmen jangka panjang, yang tidak memungkinkan bagi semua komunitas petani.

Namun, jika RA didukung oleh implementasi dan integrasi teknologi modern yang konsisten—seperti drone, sensor, dan robotika pertanian—RA berpotensi menjadi salah satu strategi jangka panjang yang paling andal untuk penyimpanan karbon (8). Teknologi-teknologi ini dapat meningkatkan presisi dan efisiensi praktik pengelolaan lahan, sehingga memudahkan pemantauan kesehatan tanah, mengoptimalkan rotasi tanaman, dan mengurangi tugas-tugas padat karya. Misalnya, sebuah studi menemukan bahwa tanah memiliki kapasitas untuk menyerap hingga 3.4 gigaton karbon per tahun melalui praktik pertanian (9). Namun, untuk mencapai skala penyerapan ini, diperlukan penanaman sekitar 5.72 × 10¹¹ pohon per tahun.

Proses RA melibatkan beberapa langkah biologis dan kimiawi yang saling terkait yang berkontribusi pada penyimpanan karbon jangka panjang di dalam tanah. Proses ini dimulai dengan peningkatan budidaya pohon, tanaman pangan, dan tanaman, yang berperan penting dalam menangkap karbon dioksida atmosfer (CO₂) melalui proses fotosintesis. Selama fotosintesis, tanaman mengubah CO₂ dan air menjadi glukosa (C₆H₁₂O₆) dan oksigen (O₂), mengikuti reaksi berikut: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Glukosa yang dihasilkan tidak hanya digunakan untuk pertumbuhan tanaman, tetapi juga dikeluarkan melalui akar ke dalam tanah untuk mendukung komunitas mikroba. Eksudat akar ini merangsang respirasi dan aktivitas mikroba di rizosfer, sehingga meningkatkan siklus hara. Sebagian karbon organik akhirnya distabilkan melalui proses yang disebut humifikasi, di mana residu mikroba dan tanaman diubah menjadi zat humat kompleks. Zat-zat ini membentuk bahan organik tanah yang stabil dan dapat bertahan di dalam tanah selama beberapa dekade, sehingga secara efektif menyimpan karbon di dalam tanah.

Meskipun RA merupakan pendekatan yang sangat berkelanjutan, kemajuan yang berarti melalui metode ini membutuhkan pengurangan emisi karbon antropogenik secara simultan. Sebuah studi menunjukkan bahwa jumlah karbon dioksida tahunan yang dipancarkan oleh aktivitas manusia melebihi jumlah yang dapat diserap melalui praktik pertanian regeneratif (anggaran tahunan global). Misalnya, pada tahun 2023, emisi CO36.8 mencapai 2 gigaton, dibandingkan dengan 3.4 gigaton karbon yang diserap per tahun melalui RA.

Beton adalah material bangunan yang ada di mana-mana; ia ada di jalan, trotoar, gedung, jembatan, dan terowongan kita. Faktanya, beton adalah material kedua yang paling banyak digunakan di dunia, setelah air, dan "dua kali lebih banyak beton digunakan dalam konstruksi dibandingkan gabungan semua material bangunan lainnya" (12). Saat ini, dunia memproduksi 30 miliar ton beton setiap tahun, dan permintaan global akan beton terus meningkat, terutama seiring dengan percepatan industrialisasi di banyak negara di belahan bumi selatan (13). Sayangnya, beton memiliki biaya energi.

Semen, komponen utama beton, dibuat melalui proses yang dikenal sebagai kalsinasi — campuran batu kapur dan tanah liat dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi, yang menyebabkan reaksi kimia yang menghasilkan karbon dioksida (CO ₂ ) dan kapur (CaO). Kapur tersebut kemudian dicampur dengan lebih banyak tanah liat dan dipanaskan kembali untuk membentuk semen. Akhirnya, semen tersebut bereaksi dengan air untuk membentuk berbagai produk hidrasi, yang mengeras dan mengikat agregat (terutama pasir, kerikil, dan batu pecah) menjadi satu, membentuk apa yang kita kenal sebagai beton.

Namun, ketika masukan energi yang signifikan diperlukan untuk memanaskan semen dan CO ₂  Jika kedua produk sampingan yang dilepaskan selama kalsinasi diperhitungkan, menjadi jelas bahwa beton memiliki jejak karbon yang cukup signifikan. Faktanya, satu ton semen melepaskan 0.85 ton COXNUMX. ₂ , dan industri beton menghasilkan 4-8% emisi karbon dunia (14). Saat ini, tidak ada bahan bangunan lain yang mampu menandingi fleksibilitas, biaya rendah, dan kemudahan produksi beton. Namun, adakah cara untuk mengurangi jejak karbon beton sekaligus berpotensi memangkas biaya industri?

Ternyata, meskipun mengeluarkan karbon dioksida selama proses pencampuran, beton juga menyerap karbon melalui reaksi kimia pasif yang dikenal sebagai pelapukan karbonasiSelama proses ini, kalsium hidroksida (Ca(OH) ₂ , juga dikenal sebagai portlandite), produk sampingan dari reaksi hidrasi dalam beton, bereaksi dengan karbon dioksida di udara untuk membentuk kalsium karbonat (CaCO ₃ , juga dikenal sebagai kalsit). Ini adalah bentuk penyerapan karbon — karbon dari udara (CO ₂ ) “disequestered” dalam bentuk mineral di dalam struktur molekul beton.

Namun, sebagai strategi potensial untuk mitigasi perubahan iklim dan mengurangi jejak karbon industri beton, proses ini memiliki beberapa kelemahan. Pertama, prosesnya berlangsung sangat lambat; satu ton beton menyerap hingga 0.9 kg COXNUMX. ₂  per tahun melalui pelapukan karbonasi, meskipun nilai tersebut sangat bergantung pada kondisi lingkungan seperti kelembapan dan suhu (13). Ini berarti bahwa penyerapan karbon yang terjadi selama pelapukan karbonasi jauh lebih sedikit daripada karbon yang dipancarkan oleh industri. Kelemahan kedua adalah, dalam paparan COXNUMX yang berkepanjangan ₂ Gel karbon silikat hidrat (CSH) yang membantu mengikat beton terurai dan beton mulai terdegradasi. Namun, kita dapat menggunakan reaksi kimia dasar yang terjadi selama pelapukan karbonasi sebagai cetak biru untuk merancang teknik penyerapan karbon dalam beton yang cepat dan aktif, alih-alih lambat dan pasif.

Ternyata, industri saat ini memiliki dua metode. Yang pertama disebut karbonasi mineral, dan pada dasarnya merupakan "tiruan pelapukan batuan yang cepat" (13). Karbonasi mineral menargetkan senyawa pengikat; biasanya, semen hanya dicampur dengan air untuk membentuk produk hidrasi yang mengikat agregat beton. Namun, jika CO ₂  dilarutkan dalam air untuk membentuk asam karbonat (H ₂ CO ₃ ), ion hidronium dari asam memecah oksida silikat dalam semen, membebaskan ion kalsium dan magnesium semen untuk membentuk karbonat yang stabil. Menurut sebuah studi, karbonasi mineral komersial dapat menyerap hingga 3 Gt karbon per tahun.

Metode kedua menargetkan beton itu sendiri. Beton seringkali dikeringkan setelah dicampur untuk memastikan reaksi hidrasi yang cepat, yang memiliki efek menguntungkan bagi daya tahan dan kekuatan beton dalam jangka panjang. Uap adalah media yang umum digunakan untuk mengeringkan beton, karena memungkinkan suhu dan kelembapan relatif yang tinggi (15), tetapi COXNUMX ₂  juga dapat digunakan untuk efek yang sama. Proses ini, di mana CO ₂  gas yang disuntikkan ke dalam beton usia dini (yaitu, paling lama beberapa hari setelah pencampuran) dikenal sebagai penyembuhan karbonasi. Mirip dengan karbonasi mineral, penyembuhan karbonasi melibatkan reaksi oksida silikat dengan air dan CO ₂  untuk membentuk CaCO ₃ .

Tentu saja, memperoleh CO murni ₂  gas, serta merancang dan memelihara ruang reaksi tertutup yang diperlukan untuk perawatan, berarti biaya tambahan bagi pabrikan. Namun, adalah mungkin untuk memotong biaya ini dengan mengganti bahan pengikat dan agregat tradisional dengan alternatif daur ulang untuk membuat apa yang dikenal dalam industri sebagai "beton hijau." Misalnya, semen Portland, pilihan umum untuk komponen semen beton, dapat diganti sebagian atau seluruhnya dengan abu terbang (produk sampingan dari industri batu bara) atau terak baja, karena keduanya mengandung oksida yang diperlukan agar reaksi hidrasi terjadi. Satu studi menemukan bahwa mengganti semen Portland dengan campuran abu terbang dan kapur menghasilkan campuran beton dengan derajat karbonasi 78%, dibandingkan dengan derajat karbonasi 32% dalam campuran kontrol semen Portland (13).

Selain itu, kerikil dan batu pecah, pilihan umum untuk agregat kasar, dapat digantikan dengan produk sampingan pembongkaran (bata pecah, beton, dll.). Karbonasi mineral juga dapat dilakukan pada agregat ini untuk meningkatkan kekuatan dan daya tahannya, serta kemampuannya untuk menyerap karbon. Terakhir, agregat halus (biasanya pasir) dapat digantikan dengan biochar, yang memiliki manfaat tambahan karena merupakan produk penyerapan karbon itu sendiri (biochar terbentuk melalui pembakaran bahan organik pada suhu yang sangat tinggi dalam lingkungan rendah oksigen, yang mengarah pada pembentukan struktur karbon yang stabil). Beberapa penelitian telah menemukan bahwa biochar dapat mempercepat reaksi hidrasi selama proses curing karbonasi dini, yang mengarah pada kekuatan tekan yang lebih tinggi (16). Biochar juga sangat berpori, yang berarti memiliki lebih banyak tempat di mana reaksi karbonasi dapat terjadi.

Berbeda dengan CCS atau pertanian regeneratif, beton hijau tidak memerlukan perubahan skala besar dari industri yang ada atau penciptaan industri baru secara keseluruhan; yang dibutuhkan hanyalah memasukkan produk sampingan daur ulang ke dalam campuran beton dan menggunakan teknologi pengerasan karbonasi, alih-alih uap. Produsen semen saat ini memiliki sarana untuk berinvestasi dalam masa depan yang lebih adaptif terhadap iklim — di mana kita membangun kota-kota kita dari CO2 yang terserap. ₂ .