ABSTRAK
Manufaktur kimia merupakan sektor ekonomi AS yang besar dan beragam, dengan produk, bahan bakar, dan berbagai macam bahan yang digunakan setiap hari oleh masyarakat dan bisnis. Saat ini, beberapa bahan kimia dengan volume terbesar yang diproduksi di Amerika Serikat bergantung pada bahan bakar fosil sebagai bahan baku, sumber energi, atau keduanya. Daftar bahan kimia tersebut mencakup produk perengkahan uap seperti etilena, propilena, benzena, dan xilena serta produk seperti amonia dan metanol. Fokus pekerjaan ini adalah pada bahan kimia platform yang diproduksi dalam volume terbesar dan memiliki potensi tinggi untuk diproses selanjutnya menjadi produk yang lebih khusus. Dalam studi ini, kami mengeksplorasi beberapa jalur baru yang mengurangi konsumsi energi secara keseluruhan dan emisi gas rumah kaca (GRK) untuk setiap produk. Jalur ini mencakup langkah-langkah efisiensi energi yang diterapkan pada metode produksi yang ada, penggunaan bahan bakar dan/atau bahan baku berbasis bio sebagai metode produksi baru, dan elektrifikasi tahap input energi tinggi dalam metode produksi saat ini. Skenario untuk permintaan energi dan pengurangan GRK dilakukan dengan alat Materials Flows through Industry milik National Renewable Energy Laboratory. Proyeksi permintaan energi dan emisi GRK pada tahun 2030 dan 2050 disertakan, menggunakan proyeksi komposisi jaringan dari model NREL ReEDS. Skenario alternatif yang dipilih memperlihatkan dampak perubahan realistis yang dapat dilakukan industri, dengan fokus pada teknologi dengan tingkat kesiapan teknis yang tinggi.

1 Pendahuluan dan Motivasi
Bahan kimia merupakan salah satu produk dengan volume tertinggi di Amerika Serikat dengan salah satu kumpulan bahan baku dan energi paling beragam di antara sektor-sektor industri utama AS. Sektor kimia memproduksi berbagai macam produk melalui ribuan bahan kimia. Strategi untuk peningkatan efisiensi atau pengurangan energi lebih kompleks karena banyak metode produksi digunakan untuk berbagai macam bahan kimia yang membentuk sektor tersebut, dibandingkan dengan industri-industri besar lainnya di mana hanya beberapa metode utama yang umum digunakan. Sebagian karena volume produksi yang besar, sektor kimia juga merupakan salah satu penghasil emisi gas rumah kaca (GRK) terbesar di antara industri-industri besar [ 1 ].

Studi Bandwidth 2015 tentang Peluang Penghematan Energi Potensial dalam Manufaktur Kimia AS [ 2 ] mencakup penggunaan energi dasar dan potensi pengurangan energi untuk 76 bahan kimia dengan dampak terbesar pada sektor tersebut sebagai hasil dari volume produksi dan intensitas energinya. Makalah ini mengkaji tingkat penghematan energi yang mungkin dilakukan saat menggunakan metode produksi terkini untuk berbagai macam bahan kimia, berdasarkan nilai penggunaan energi yang dilaporkan atau perhitungan yang terkait dengan teknologi penghematan energi untuk setiap bahan kimia. Berbagai tingkat produksi energi disertakan sebagai minimum terkini dan praktis, yang merupakan metode produksi praktik terbaik terkini dan tingkat energi minimum yang dapat dicapai dengan teknologi yang diterapkan, masing-masing. Pengurangan energi merupakan strategi penting yang dapat meminimalkan energi yang terbuang, meskipun itu hanya mewakili satu pendekatan untuk mengurangi energi rantai pasokan dan emisi GRK di sektor yang beragam seperti bahan kimia. Perubahan efisiensi energi mengurangi masukan energi langsung, sedangkan peralihan bahan bakar atau bahan baku dapat mengurangi potensi kebutuhan energi hulu yang lebih tinggi. Tema yang sering muncul namun tidak eksklusif dalam literatur yang mengkaji pengurangan emisi di sektor kimia adalah fokus pada penghematan yang mungkin dilakukan dari satu atau dua perubahan utama dalam sektor tersebut [ 3 , 4 ]. Perubahan ini dapat berupa langkah-langkah efisiensi energi, elektrifikasi, peralihan ke bahan kimia yang bersumber dari biomassa [ 5 ], atau peralihan produksi bahan kimia antara dan khusus untuk menggunakan bahan kimia platform berbeda yang dapat disintesis dengan jejak karbon keseluruhan yang lebih rendah.

Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk bertindak sebagai studi kasus tentang dampak yang akan ditimbulkan oleh setiap strategi, dalam bentuk metode produksi kimia baru, terhadap permintaan energi dan emisi GRK untuk produk tersebut dan sektor kimia. Perilaku konsumen dan produsen seperti peningkatan daur ulang atau penggunaan kembali, penurunan permintaan untuk satu atau lebih bahan kimia, atau intervensi pemerintah merupakan strategi yang berbeda untuk pengurangan emisi selain perubahan produksi industri. Analisis ini akan dibangun berdasarkan strategi-strategi yang dapat diambil oleh industri dengan memeriksa beberapa pendekatan untuk bahan kimia produksi terbesar, dengan memasukkan persyaratan energi dan emisi GRK di seluruh rantai pasokan. Strategi-strategi ini khusus untuk setiap bahan kimia dan bergantung pada kelayakan jalur yang tersedia. Studi kasus ini juga akan mengeksplorasi bagaimana jalur yang berbeda untuk setiap bahan kimia berubah di tahun-tahun mendatang seiring dengan terus berkembangnya pasokan listrik AS.

2 Tinjauan Pekerjaan Terkait
Banyak studi telah meneliti skenario teknologi masa depan yang terkait dengan emisi GRK dari sektor kimia, dengan fokus pada sektor kimia secara keseluruhan dan bahan kimia tertentu dalam sektor tersebut. Beberapa laporan telah meneliti skenario permintaan masa depan untuk banyak bahan kimia dengan rute produksi alternatif [ 6 , 7 ], yang tidak mencerminkan produksi saat ini tetapi melihat pada perkiraan volume yang akan diperlukan jika peralihan keseluruhan untuk menggunakan bahan baku dan produk rendah karbon diterapkan. Studi-studi ini terutama mengasumsikan peralihan skala besar dari bahan bakar fosil ke bahan baku terbarukan dengan menggunakan metanol dan hidrogen sebagai bahan kimia platform (bahan kimia langsung dari bahan mentah di alam yang digunakan untuk membuat berbagai macam produk yang lebih khusus), dilengkapi dengan pengurangan produksi bahan kimia dari steam cracking atau kilang. Metanol dan hidrogen dipilih sebagai bahan baku utama dalam skenario tersebut karena masing-masing dapat diproduksi dengan jejak karbon yang lebih rendah [ 8 , 9 ], bahkan jika metode produksi tersebut saat ini tidak umum digunakan. Fokus makalah yang menerapkan elektrifikasi [ 3 , 10 , 11 ] atau bahan baku alternatif [ 5 , 12 ] adalah pada pengurangan emisi GRK yang dimungkinkan dengan jaringan listrik rendah karbon dan bahan baku rendah karbon melalui hidrogen dan/atau syngas [ 13 ].

Ada juga beberapa studi yang memeriksa bukan produk-produk dengan volume tertinggi dalam sektor kimia tetapi produk-produk yang akan memiliki biaya terendah atau hambatan paling sedikit untuk diproduksi dari bahan baku berbasis biomassa [ 14 – 20 ]. Daftar “10 teratas” asli peluang kimia dari karbohidrat dari Departemen Energi AS (DOE) tidak mencakup bahan kimia apa pun yang saat ini berkontribusi paling besar terhadap emisi GRK untuk sektor tersebut [ 21 ]. Substitusi bahan baku dengan sumber daya terbarukan seperti biomassa adalah salah satu strategi yang paling sering disebutkan karena banyak bahan kimia platform saat ini diproduksi melalui kilang atau perengkahan uap atau memiliki bahan baku bahan bakar fosil [ 22 ]. Idealnya, penggunaan biomassa sebagai bahan baku akan mengurangi karbon yang terkandung dalam produk akhir dengan memperhitungkan karbon yang diserap dalam bahan baku selama pertumbuhan biomassa, bahkan jika utilitas berbasis bahan bakar fosil atau input energi yang lebih tinggi masih diperlukan. Sumber umum bahan baku untuk bahan kimia platform meliputi lignin, jagung dan produk sampingan jagung, kayu, rumput, atau glukosa, dengan beberapa penelitian sebelumnya yang meneliti potensi transformasi kimia etanol dari fermentasi selulosa dan hemiselulosa. Namun, biomassa juga merupakan bahan baku heterogen [ 17 ] dan mungkin tidak mudah berfungsi sebagai pengganti langsung untuk metode produksi saat ini karena pengelolaan karbon, oksigen, dan hidrogen yang diperlukan dibandingkan dengan sumber hidrokarbon yang ada. Rute produksi berbasis bio yang memanfaatkan jalur reaksi baru dapat memerlukan pengerjaan ulang peralatan modal, pelatihan karyawan, dan rantai pasokan.

3 Pendekatan Teknologi
Kami mulai dengan memilih bahan kimia mana yang akan disertakan dalam studi kasus. Meskipun ada ribuan bahan kimia yang digunakan secara komersial dan oleh konsumen, produk tertentu mewakili fraksi yang lebih besar dari sektor kimia dibandingkan dengan yang diproduksi dalam volume yang lebih kecil. Bahan kimia “platform” diproduksi pada volume besar dan dapat dimodifikasi atau direaksikan untuk membentuk berbagai produk yang lebih khusus. Karena diproduksi dalam volume yang sangat besar setiap tahunnya, banyak bahan kimia platform mewakili fraksi yang lebih besar dari total emisi GRK dari sektor kimia, dan berfokus pada bahan kimia ini mewakili potensi pengurangan GRK yang lebih besar dibandingkan dengan bahan kimia yang saat ini berkontribusi persentase yang lebih rendah dari total. Bahan kimia berikut saat ini diproduksi dalam volume besar di Amerika Serikat dan telah diidentifikasi sebagai sangat relevan dalam studi lain yang mengeksplorasi teknologi alternatif sektor kimia masa depan: etilena, propilena, butadiena, BTX (benzena, toluena, dan xilena), amonia, metanol [ 3 , 6 , 23 ], dan klor-alkali [ 3 , 6 ].

Satu-satunya bahan kimia yang termasuk dalam makalah ini yang tidak umum dibahas dalam literatur terkait adalah natrium karbonat (soda abu) dan etanol. Soda abu diproduksi dalam volume besar karena perannya dalam pembuatan kaca, deterjen, dan pembuatan bahan kimia lainnya (S&P Global 2023). Soda abu adalah sumber utama energi dan emisi GRK untuk sektor kaca, dan dapat tumbuh dalam utilitas jika ada peningkatan permintaan kaca lembaran untuk pembuatan panel surya. Etanol ada di mana-mana dalam konsumsi bensin AS, dan biasanya menjadi fokus karya penelitian mandiri karena perannya saat ini dan masa depan sebagai bahan bakar transportasi alternatif. Etanol juga merupakan bahan kimia platform yang dapat bereaksi untuk mensintesis bahan kimia khusus dan harus diperiksa dalam konteks yang lebih luas daripada penggunaan bahan bakar saja. Beberapa strategi untuk meningkatkan profil emisi GRK etanol dan memeriksa metode produksi alternatif dibandingkan dengan rute berbasis jagung saat ini dapat sesuai dengan kerangka kerja yang dikembangkan untuk bahan kimia lain yang termasuk dalam analisis ini. Meskipun ada sumber literatur tambahan yang tersedia, bahan kimia yang termasuk dalam makalah ini berfokus pada strategi individual untuk setiap bahan kimia daripada menerapkan serangkaian strategi ke sektor tersebut secara merata. Dengan cara ini, kita dapat memeriksa efektivitas beberapa jalur untuk masing-masing bahan kimia yang berdampak terbesar baik secara individu maupun sebagai kelompok, karena beberapa strategi akan lebih efektif untuk bahan kimia yang berbeda.

4 Strategi untuk Bahan Kimia Terpilih
Tiga jalur dipilih untuk setiap bahan kimia berdasarkan keandalan data yang tersedia dan tingkat kesiapan teknologi, yang terbagi dalam kategori umum efisiensi/pengurangan energi, kebutuhan energi elektrifikasi tinggi/lengkap, dan penggunaan bahan baku/bahan bakar rendah karbon. Jalur berikut dipilih untuk dimasukkan dalam makalah ini:
Efisiensi energi: Jalur ini mengikuti dasar yang diletakkan dalam laporan pita kimia asli [ 2 ] yang meneliti pita energi untuk produksi 76 bahan kimia utama, termasuk sembilan dalam makalah ini. Jalur ini sering mempertahankan identitas bahan dan masukan energi untuk produksi sambil mengurangi skala energi yang dibutuhkan. Efisiensi energi merupakan peningkatan atau pengerjaan ulang metode produksi saat ini, yang memiliki asumsi optimis mengenai kemauan industri untuk mengadopsi metode produksi yang muncul dengan biaya modal yang lebih tinggi. Estimasi efisiensi energi dapat bervariasi menurut sumber dan tahun ketika pengurangan energi diterapkan [ 4 , 24 ].
Elektrifikasi: Jalur ini menghilangkan masukan energi yang terdiri dari (atau bergantung pada) penggunaan bahan bakar fosil langsung dan menggantinya dengan listrik rendah karbon. Jalur ini akan menunjukkan bagaimana dampak jaringan listrik pada produksi kimia berbeda pada tahun 2023 dibandingkan dengan tahun-tahun mendatang yang dapat menggunakan campuran teknologi pembangkitan yang berbeda. Elektrifikasi dalam analisis ini meneliti metode yang mengaliri listrik pada masukan energi untuk metode produksi lama atau menggunakan rute produksi baru dengan TRL tinggi dengan masukan energi listrik sebagai sumber utama atau semata-mata.
Bahan bakar dan bahan baku rendah karbon/terbarukan: Jalur ini bertujuan untuk memanfaatkan penelitian dalam mengubah produk hidrogen dan biomassa menjadi bahan kimia platform. Jalur ini menghilangkan karbon yang terkandung dari bahan baku minyak bumi dan gas alam sebagai pengganti metode dengan karbon yang terkandung lebih rendah dan energi yang menghindari emisi karbon tak terbarukan. Rute produksi rendah karbon dan berbasis bio sering kali merupakan metode yang sama sekali baru untuk memproduksi setiap bahan kimia, yang bergantung pada reaksi kimia yang berbeda, mungkin memerlukan investasi tambahan untuk penggantian peralatan, dan tidak dikenal oleh mereka yang terbiasa dengan rute produksi lama. Jalur dipertimbangkan secara individual, sehingga kemungkinan masukan energi yang lebih tinggi dan emisi GRK terkait untuk bahan kimia yang mengikuti jalur ini berbasis bahan bakar fosil kecuali jika data sumber menunjukkan bahan bakar rendah karbon digunakan. Bahan bakar pengganti rendah karbon meliputi kayu sebagai bahan bakar untuk uap dan gas alam terbarukan sebagai pengganti gas alam.
Baseline digunakan sebagai titik awal untuk membandingkan potensi pengurangan energi dan GRK dari beberapa skenario. Nilai baseline dihitung dari campuran teknologi produksi terkini yang digunakan untuk memproduksi setiap bahan kimia, dengan menggunakan data produksi terbaru yang tersedia (paling cepat tahun 2020) [ 22 ] . Berikut ini adalah metode produksi terkini dan yang diusulkan untuk setiap bahan kimia yang dipilih:
Etilena: saat ini diproduksi dari steam cracking bahan baku ringan (etana, propana, dan butana adalah cairan gas alam, atau NGL) dan bahan baku berat (seperti minyak gas dan nafta) [ 25 , 26 ]. Produksi AS terutama bahan baku ringan; teknologi efisiensi energi yang diterapkan pada NGL cracking dapat menghemat 17%–29% masukan energi dibandingkan dengan metode saat ini [ 4 , 24 ]. Elektrifikasi dapat diterapkan pada teknologi individual yang digunakan dalam proses steam cracking untuk menghilangkan masukan bahan bakar langsung dari semua atau beberapa bagian proses [ 13 , 27 – 29 ]. Electric steam cracking akan menggunakan NGL sebagai bahan baku dan electric steam cracker [ 13 , 28 , 30 ] sebagai pengganti steam cracker tradisional. Ini akan mempertahankan distribusi produk sampingan yang sama dari steam cracker berbahan bakar NGL tradisional yang umum di Amerika Serikat [ 22 ] sambil hanya mengubah metode masukan energi ke dalam sistem. Dehidrasi etanol dilakukan dalam volume yang lebih kecil di negara-negara lain dan bisa diadopsi di Amerika Serikat [ 31 , 32 ]; teknologi ini kemungkinan akan diadopsi lebih cepat dibandingkan mengubah metanol menjadi olefin (MTO) [ 33 ] karena teknologi ini sudah digunakan dan hanya menghasilkan etilen saja.
Propilena: terutama diproduksi sebagai produk sampingan dari steam cracking atau naphtha reforming untuk produksi bensin. Propilena dapat diproduksi secara sengaja melalui dehidrogenasi propana atau oligomerisasi olefin. Kami memperkirakan metrik efisiensi energi dapat diterapkan pada masing-masing teknologi ini untuk pengurangan energi yang serupa dengan etilena. MTO dipilih sebagai rute berbasis bio untuk propilena karena sedang banyak dipelajari [ 34 , 35 ] dan menjanjikan jika dapat dikomersialkan secara luas. Elektrifikasi mengikuti asumsi yang sama untuk steam cracking seperti untuk produksi etilena karena lebih banyak rute ini yang dapat dialiri listrik dibandingkan dengan naphtha reforming.
Butadiena: saat ini diekstraksi dari aliran produk sampingan empat karbon dari perengkahan uap etilena; n-metil-n-pirolidon (NMP) dan dimetil furan (DMF) adalah pelarut ekstraksi yang paling umum. Perkiraan saat ini menunjukkan potensi pengurangan masukan energi sebesar 17%–29% dengan menggunakan NMP sebagai pelarut (energi terendah) karena ini masih merupakan bagian dari proses perengkahan uap. Baik etanol maupun glukosa dapat berfungsi sebagai bahan baku terbarukan [ 36 – 39 ], meskipun rute etanol dipilih karena bahan baku ini memerlukan masukan energi yang lebih rendah dan lebih banyak dipelajari. Jalur elektrifikasi butadiena mengikuti asumsi bahan baku dan perengkahan uap listrik yang sama seperti untuk produksi etilena di atas.
BTX: saat ini diproduksi sebagai produk sampingan dari steam cracking atau naphtha reforming [ 22 ]. Estimasi pengurangan efisiensi energi diterapkan pada setiap metode dengan asumsi yang sama seperti untuk bahan kimia platform steam cracking lainnya, dengan penghematan masukan energi sebesar 16%–27% [ 4 , 24 ]. Jalur berbasis bio mencakup metanol menjadi aromatik [ 40 ] dan lignin menjadi aromatik [ 41 , 42 ]; yang terakhir dipilih karena metode ini telah didemonstrasikan secara komersial [ 43 ]. Elektrifikasi diterapkan pada steam cracking karena lebih banyak tahapan jalur ini yang dapat dialiri listrik dibandingkan dengan catalytic cracking.
Etanol: terutama diproduksi melalui penggilingan kering jagung sebelum fermentasi dan distilasi menjadi etanol, dengan fraksi yang lebih kecil dari penggilingan basah di mana biji jagung direndam sebelum penggilingan [ 44 ]. Rute hemat energi kami menggunakan praktik terbaik untuk metode penggilingan kering berenergi rendah [ 45 ], dengan potensi penghematan energi di masa depan sebesar 24%–40% (berdasarkan asumsi dari proyek analisis DOE Pathways 2025). Produksi etanol sudah menggunakan bahan baku berbasis bio, jadi skenario yang dipertimbangkan adalah teknologi konversi bahan baku lignoselulosa dan bukan jagung sebagai bahan baku. Elektrifikasi akan menggunakan panas proses berlistrik [ 46 ] untuk penggilingan, fermentasi, dan distilasi dengan kebutuhan energi penggilingan kering saat ini [ 47 ].
Metanol: saat ini diproduksi dengan mereaksikan gas sintesis untuk membentuk metanol [ 22 ]. Rute hemat energi kami memanfaatkan teknologi produksi syngas yang ada tetapi dengan pengurangan input energi sebesar 9%–16% [ 4 , 24 ]. Rute berbasis bio dapat menggunakan CO 2 dan hidrogen yang ditangkap dari sumber listrik rendah karbon serta gasifikasi biomassa untuk membentuk syngas yang menghasilkan metanol [ 9 , 48 , 49 ] (jalur ini dipilih). Elektrifikasi akan menggunakan CO 2 dari penangkapan udara langsung dan hidrogen hijau sebagai bahan baku pengganti syngas untuk menghasilkan metanol [ 50 , 51 ].
Amonia: saat ini diproduksi melalui hidrogen dari steam methane reforming (SMR) yang bereaksi dengan nitrogen melalui proses Haber–Bosch, dengan sebagian kecil dari total produksi mencakup fasilitas urea terintegrasi. Jalur efisiensi energi kami menggunakan praktik terbaik saat ini untuk rute SMR yang ada, menghasilkan pengurangan masukan energi langsung sebesar 15%–27% [ 4 ]. Penggunaan bahan baku berbasis bio akan melibatkan gasifikasi biomassa untuk menghasilkan hidrogen, yang kemudian dapat digunakan untuk sintesis amonia [ 52 , 53 ]. Jalur elektrifikasi akan menggunakan elektrolisis air dan listrik terbarukan untuk menghasilkan hidrogen untuk produksi amonia [ 54 , 55 ].
Klor-alkali: menghasilkan klorin, natrium hidroksida, dan hidrogen dengan menerapkan listrik ke elektroda dalam larutan natrium klorida berair [ 56 ]. Proses klor-alkali menggunakan diafragma, membran, atau sel merkuri, dengan sebagian besar produksi AS didasarkan pada dua yang pertama. Jalur efisiensi energi dapat menggunakan gabungan panas dan daya (CHP) dan sel bahan bakar hidrogen, dengan praktik terbaik untuk teknologi sel membran energi rendah [ 24 , 57 , 58 ]. Meskipun tidak ada bahan baku berbasis bio yang tersedia untuk produksi klorin, penggunaan sel bahan bakar hidrogen untuk penggantian energi dan gas alam terbarukan untuk setiap permintaan gas alam termasuk dalam jalur bahan baku dan bahan bakar rendah karbon. Elektrifikasi akan berbentuk pompa panas suhu tinggi [ 46 , 47 , 59 ].
Natrium karbonat: diproduksi di Amerika Serikat melalui jalur alami dari bijih trona melalui proses monohidrat. Praktik terbaik dan metode efisiensi energi masa depan diharapkan dapat menghemat 6% masukan energi [ 4 , 60 ] (intensitas energi yang sudah rendah). Produksi soda abu sudah menggunakan bahan baku alami, sehingga produksi berbasis bio akan memerlukan penggunaan gas alam terbarukan untuk produksi uap. Elektrifikasi dapat diterapkan pada tahap pembangkitan uap dan kalsinasi produksi soda abu [ 61 ].
Meskipun beberapa publikasi dari literatur menggunakan pendekatan atas-bawah atau mengeksplorasi jalur spesifik untuk satu atau beberapa bahan kimia, pendekatan yang diambil di sini melihat perubahan material dan energi spesifik untuk bahan kimia bervolume tertinggi dari perspektif siklus hidup dengan beberapa jalur.

5 Asumsi yang Diterapkan pada Semua Bahan Kimia
Efisiensi material tidak dimasukkan sebagai jalur yang berdiri sendiri karena diasumsikan produsen sudah menerapkan semua opsi yang mungkin untuk mengurangi limbah material sebagai cara untuk meningkatkan margin keuntungan. Efisiensi material dapat diterapkan pada hasil ketika melihat persyaratan energi rantai pasokan dan emisi GRK dari sektor secara keseluruhan daripada diterapkan pada basis unit tanpa perubahan tambahan yang diterapkan. Mendaur ulang produk penggunaan akhir untuk setiap bahan kimia dapat mengurangi permintaan untuk bahan kimia platform yang dijelaskan dalam makalah ini, tetapi strategi ini tidak termasuk dalam pekerjaan ini dan diserahkan untuk analisis selanjutnya. Tingkat pertumbuhan jangka pendek didasarkan pada data pasar milik sendiri untuk setiap bahan kimia yang memperkirakan perubahan permintaan dan produksi setiap tahun [ 22 ]. Tingkat pertumbuhan jangka panjang—dalam hal ini dari tahun 2030 hingga 2050—diasumsikan sebesar 50% dari tingkat pertumbuhan jangka pendek hingga tahun 2030 karena ketidakpastian dalam tingkat pertumbuhan untuk tahun-tahun berikutnya. Perubahan volume bahan kimia individual kurang pasti mendekati tahun 2050 dibandingkan mendekati tahun 2030; penyesuaian tingkat pertumbuhan (sebelum daur ulang diterapkan) mencerminkan ketidakpastian ini. Penggunaan tingkat pertumbuhan 2050 yang dinyatakan juga menghasilkan perubahan volume sektor kimia gabungan yang berada pada skala yang sama dengan estimasi dari literatur [ 62 ].

Hidrogen memiliki peran yang kurang signifikan sebagai penyumbang bahan bakar dan bahan baku rendah karbon karena tingkat pencampuran hidrogen dengan gas alam rendah, meskipun ini dapat berubah jika ada pengembangan hidrogen dan CO2 yang ditangkap sebagai bahan baku untuk jalur produksi baru [ 63 ]. Hidrogen bersumber dari proses SMR, dengan hanya sebagian kecil hidrogen yang dihasilkan melalui elektrolisis dengan sumber listrik rendah karbon [ 64 ]. Penggunaan hidrogen yang tinggi memiliki potensi masalah seperti kerapuhan baja, peningkatan tingkat kebocoran [ 65 ], atau diperlukan desain ulang infrastruktur yang ada untuk memperhitungkan perbedaan dalam perilaku hidrogen dan gas alam [ 66 ]. Beberapa skenario jaringan listrik telah dikembangkan menggunakan model sistem penyebaran energi regional (ReEDS), yang meneliti kemungkinan evolusi masa depan sektor tenaga listrik AS [ 67 ]. Campuran jaringan yang dibahas dalam makalah ini adalah campuran pembangkitan sektor listrik saat ini (berdasarkan perhitungan ReEDS mengenai teknologi pembangkitan yang digunakan pada tahun 2023) dan proyeksi campuran pembangkitan pada tahun 2030 atau 2050. Faktor emisi dan campuran pembangkitan listrik berbiaya paling rendah didasarkan pada asumsi produksi hidrogen yang tinggi dan pertumbuhan permintaan dengan pengurangan CO 2 sebesar 95% pada tahun 2050, sebagaimana diterbitkan dalam Laporan Skenario Standar 2023 [ 68 ].

Bahan kimia dan skenario dalam makalah ini selaras dengan yang dipilih dalam proyek perluasan peta jalan sebagai bagian dari strategi tandem untuk jalur alternatif bagi sektor kimia. Proyeksi jaringan listrik yang dipilih dalam makalah ini juga digunakan dalam proyek perluasan peta jalan sebagai bagian dari proyeksi emisi GRK di masa mendatang. Pekerjaan ini juga menggunakan asumsi peta jalan tentang penurunan energi tahunan otonom setiap tahun setelah 2023 untuk setiap jalur. Perluasan peta jalan mencakup beberapa sektor industri dan tidak bergantung secara langsung pada alat penilaian siklus hidup (LCA) untuk menentukan kebutuhan energi dan emisi GRK. Dalam makalah ini, nilai-nilai tersebut ditentukan menggunakan alat Materials Flows through Industry (MFI) [ 69 ]. Alat pemodelan MFI dikembangkan untuk melakukan analisis rantai pasokan manufaktur AS dan produk turunannya. Ini berisi basis data produk industri dalam bentuk resep, yang melacak input (misalnya, bahan baku, energi, air) yang diperlukan pada tahap manufaktur awal. Input resep menggunakan pendekatan batas 1 dalam menentukan inventaris. Alat MFI menggunakan batas sistem “tambang-ke-material” yang dimulai dengan ekstraksi sumber daya alam dan berakhir dengan produksi di lokasi manufaktur, setara dengan batas sistem “dari awal hingga akhir”. Alat MFI menerapkan pendekatan bottom-up untuk memodelkan unit fisik atau proses yang terkait dengan rantai pasokan suatu produk. Resep dalam alat MFI dihubungkan untuk membentuk jaringan linier yang menangkap aliran material dan energi dalam sektor industri AS [ 71 ], dengan default 10 level yang disertakan dalam rantai pasokan untuk perhitungan. Output mengenai konsumsi energi di sepanjang rantai pasokan mewakili total konsumsi energi menurut jenis bahan bakar. Emisi GRK diagregasi sebagai ekuivalen CO 2 menggunakan faktor potensi pemanasan global 100 tahun. Koproduk diperhitungkan dalam MFI menggunakan kredit untuk setiap koproduk dan terdaftar sebagai input negatif sehingga penciptaannya mewakili produksi yang dihindari menggunakan metode lain. Resep dalam alat MFI memeriksa efek dari perspektif rantai pasokan AS, dengan hanya bobot berbasis AS dan proyeksi jaringan listrik. Emisi GRK non-pembakaran dari kimia reaksi setiap jalur ditambahkan ke setiap hasil dalam pasca-pemrosesan.

6 Hasil dan Pembahasan
Permintaan energi dan intensitas GRK merujuk pada hasil untuk setiap bahan kimia dari MFI, sebagai gigajoule (GJ)/ton produk untuk total permintaan energi atau kilogram (kg) CO 2 e/ton untuk emisi GRK. Hasil (Gambar 1 dan 2 ) melihat output untuk setiap bahan kimia dan jalur secara individual dan bertujuan untuk menarik kesimpulan mengenai dampak setiap jalur pada total permintaan energi dan emisi GRK dibandingkan dengan garis dasar. Perubahan ini ditampilkan sebagai persentase dibandingkan dengan produksi pada tahun 2023 untuk setiap bahan kimia. Skenario garis dasar mempertahankan resep dan bobot proses yang sama untuk setiap bahan kimia di semua tahun—analisis ini tidak bermaksud untuk memprediksi perubahan dalam metode produksi untuk bisnis seperti biasa (BAU) hingga tahun 2050 tanpa intervensi. Satu-satunya perubahan dalam skenario garis dasar adalah proyeksi jaringan listrik yang diterapkan pada setiap skenario. Hasil dari MFI menunjukkan energi dan emisi GRK dari beberapa tahap—termasuk energi bahan baku, listrik, bahan bakar proses, dan transportasi—untuk membantu mengidentifikasi hotspot untuk pengurangan energi dan GRK. Gambar 1 dan 2 menunjukkan intensitas energi dan GRK rantai pasokan saat ini pada tahun 2023 dibandingkan dengan setiap jalur dengan proyeksi jaringan listrik untuk tahun 2030 dan 2050. BTX diproduksi sebagai campuran tetapi ditampilkan secara terpisah karena konversi antara komponen dan permintaan terpisah untuk setiap bahan kimia, jadi 11 set hasil ditampilkan untuk sembilan bahan kimia dalam makalah ini.

GAMBAR 1
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Total energi rantai pasokan untuk sembilan bahan kimia platform dengan empat jalur produksi seperti biasa, efisiensi energi, bahan bakar dan bahan baku rendah karbon/terbarukan, dan elektrifikasi. Nilai untuk setiap jalur ditampilkan untuk tahun 2030 dan 2050 dibandingkan dengan garis dasar 2023 saat ini.

GAMBAR 2
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Total emisi GRK dari rantai pasokan untuk sembilan bahan kimia platform dengan empat jalur produksi, yaitu bisnis seperti biasa, efisiensi energi, bahan bakar dan bahan baku rendah karbon/terbarukan, dan elektrifikasi. Nilai untuk setiap jalur ditampilkan untuk tahun 2030 dan 2050 dibandingkan dengan garis dasar 2023 saat ini.
Teknologi efisiensi energi merupakan salah satu bagian dari strategi yang lebih luas; teknologi tersebut dapat berkontribusi pada pengurangan emisi sektor kimia bersamaan dengan perubahan bahan baku atau sumber energi atau berdiri sendiri dengan menggunakan teknik terbaik yang tersedia untuk manajemen energi. Meskipun investasi modal akan diperlukan untuk peralatan baru, biaya operasional akan diturunkan, metode produksi yang ada akan tetap berlaku, dan dampak hulu akan berkurang karena langkah-langkah efisiensi energi. Skenario ini juga menunjukkan bagaimana energi siklus hidup dan emisi GRK dari skenario alternatif dibandingkan dengan strategi efisiensi energi saja. Perubahan efisiensi energi dapat dibingkai sebagai penerapan praktik terbaik untuk produksi saat ini karena hal tersebut mewakili penggunaan operasi dan masukan energi yang telah ditunjukkan pada skala industri atau percontohan.

Bahan baku berbasis bio dapat sangat efektif dalam mengurangi total permintaan energi, menunjukkan kebutuhan energi terendah untuk banyak bahan kimia, tetapi dampak emisi GRK yang sesuai sangat bervariasi (misalnya, karena faktor-faktor seperti kebutuhan energi intensif GRK untuk etilena, butadiena, atau BTX). Ada juga emisi CO2 proses yang besar dari bahan kimia dengan etanol sebagai bahan baku, seperti butadiena dan etilena. BTX memiliki hasil yang relatif rendah dari biomassa, membutuhkan masukan energi dan massa bahan baku yang lebih tinggi untuk mencapai satu ton produk untuk setiap benzena, toluena, atau xilena campuran. Biomassa dapat memiliki kebutuhan energi hulu yang lebih rendah yang menurunkan energi rantai pasokan hulu tetapi masih membutuhkan sejumlah besar masukan energi langsung untuk menghasilkan produk yang sama yang diproduksi menggunakan praktik operasi saat ini. Bahan baku berbasis bio mewakili kimia produksi baru dibandingkan dengan skenario dasar, efisiensi energi, dan elektrifikasi karena bahan baku baru memperkenalkan reaksi kimia baru dengan tingkat efisiensi dan kebutuhan energinya sendiri. Teknologi yang terkait dengan efisiensi energi dan elektrifikasi menggunakan infrastruktur yang ada dan tidak memerlukan tingkat investasi modal atau penggunaan kembali fasilitas yang sama seperti metode produksi baru. Pelatihan pekerja dapat memerlukan waktu yang lebih lama untuk memulai, memastikan pasokan bahan baku dan standar yang konsisten, dan membangun fasilitas terpisah untuk produk yang sebelumnya menggunakan satu lokasi (steam cracking). Menggunakan bahan baku berbasis bio dan rute produksi terpisah untuk etilena, propilena, butadiena, dan BTX ketika hasil ini diproduksi dari satu lokasi akan memerlukan penyesuaian untuk memproduksi dalam skala besar.

Elektrifikasi permintaan energi kurang efektif dengan susunan jaringan listrik AS pada tahun 2023 tetapi efektivitasnya berbanding terbalik dengan intensitas karbon jaringan listrik. Total energi rantai pasokan untuk produksi kimia sedikit menurun di tahun-tahun mendatang karena perubahan campuran sumber pembangkitan listrik, sedangkan emisi GRK jauh lebih rendah dalam kasus di mana input listrik tinggi dan sumber GRK lainnya (emisi bahan baku atau bahan bakar fosil hulu) rendah. Elektrifikasi yang tinggi akan membebani jaringan listrik AS, dan transformator lokal akan membutuhkan pasokan daya yang jauh lebih besar daripada yang sebelumnya dipasok oleh bahan bakar fosil. Meskipun skenario ini akan memerlukan perubahan peralatan proses untuk teknologi listrik baru, kimia reaksi dan infrastruktur yang ada dapat tetap ada dengan periode penyesuaian yang lebih pendek untuk operasi yang efisien. Jalur ini hanya akan mengurangi emisi GRK jika intensitas karbon dari pasokan listrik menurun di tahun-tahun mendatang.

Ada juga beberapa pendekatan yang tidak termasuk dalam analisis ini. Penangkapan karbon untuk emisi CO 2 di lokasi akan mengurangi emisi CO 2 di lokasi yang diakibatkan oleh pembakaran bahan bakar di lokasi dan emisi proses langsung, tetapi tidak akan berdampak pada karbon yang terkandung, konsumsi listrik, atau emisi dalam rantai pasokan produk. Teknologi penangkapan karbon dapat digunakan bersamaan dengan jalur yang ada, bukan sebagai satu-satunya metode yang dipertimbangkan karena tidak diperlukan perubahan dalam metode produksi yang relatif terhadap produksi dasar. Seperti yang disebutkan sebelumnya, pengurangan permintaan material dapat mengurangi produksi bahan kimia dari bahan baku murni, tetapi memerlukan total untuk sektor kimia yang menggabungkan hasil intensitas di sini dengan volume produksi di setiap tahun studi.

7 Kesimpulan
Dari hasil skenario MFI, jalur bahan baku dan bahan bakar rendah karbon menunjukkan pengurangan terbesar dalam total permintaan energi untuk sembilan bahan kimia terpilih di sektor tersebut. Jalur efisiensi energi sendiri menghasilkan pengurangan emisi GRK dalam jumlah terbesar. Skenario bahan baku dan bahan bakar rendah karbon memerlukan perubahan terbesar dalam metode produksi karena melibatkan bahan baku yang saat ini tidak digunakan secara luas di sektor kimia. Elektrifikasi secara konsisten mengarah pada pengurangan permintaan energi, tetapi dampaknya terhadap emisi GRK bergantung pada intensitas karbon dari pasokan listrik dan fraksi teknologi pembangkitan energi rendah karbon. Elektrifikasi produksi kimia yang meluas juga akan memerlukan adaptasi dari jaringan listrik, yang dengan sendirinya secara konsisten mengalami perubahan yang signifikan. Penggunaan metode hemat energi untuk produksi menunjukkan penurunan permintaan energi dan emisi dibandingkan dengan skenario dasar, tetapi pengurangan ini seringkali lebih sedikit daripada yang ada dalam skenario lain yang diperiksa. Skenario efisiensi energi memerlukan perubahan paling sedikit pada metode produksi yang ada, dan kebutuhan energi yang lebih rendah akan memberikan insentif ekonomi untuk produksi.