ILMU BATUBARA

ILMU BATUBARA 

Definisi Batubara

Batubara merupakan salah satu bahan bakar yang diperoleh dengan cara penambangan. Sesuai dengan sifatnya yang merupakan bahan material alam, maka heterogenitas dari batubara dapat menjadi sangat bervariasi tergantung dari banyak faktor. Dalam usaha untuk memenuhi keperluan pengguna, maka faktor heterogenitas tersebut harus dikontrol oleh suatu sistem kualitas.

Dalam mendefinisikan batubara, harus ditinjau dari beberapa aspek, antara lain sifat fisiknya, asal kejadiannya, dan manfaatnya. Terdapat beberapa pendapat tentang definisi dari batubara, yaitu :

1     1.Kamus besar bahasa Indonesia dalam edisi yang kedua pada tahun 1995 memberikan pengertian tentang batubara, yaitiu :“Batubara adalah arang yang diambil dari dalam tanah yang berasal dari tumbuhan darat, tumbuhan air dan sebagiannya yang telah menjadi batu”
2) The International Hand Book of Coal Petrography dalam penerbitannya yang kedua pada tahun 1963 memberikan pengertian batubara sebagai berikut : “Batubara adalah batuan sedimen yang mudah terbakar, terbentuk dari proses sisa-sisa tanaman dalam variasi tingkat pengawetan diikuti oleh proses kompaksi dan terkubur dalam cekungan-cekungan yang diawali pada kedalaman yang tidak terlalu dangkal. Cekungan-cekungan ini pada garis besarnya dibagi atas cekungan limnit (intra continental) dan cekungan paralis yang berhubungan dengan air laut. Segera setelah lapisan-lapisan dasar turun terus-menerus, sisa-sisa tanaman yang terkubur tersebut dipengaruhi oleh proses normal metamorfosis, terutama oleh temperature dan tekanan.”
3) Thissen (1974) menemukan beberapa kejanggalan batubara ketika beliau mendefinisikan sebagai berikut : “Batubara adalah suatu benda padat yang kompleks, terdiri dari bermacam-macam unsur yang mewakili banyak komponen kimia, dimana hanya sedikit dari komponen kimia tersebut homogen, tetapi hampir semua berasal dari dari sisa-sisa tanaman. Sisa-sisa tanaman tersebut sangat kompleks, terdiri dari bermacam-macam tissue dimana tiap tissue terdiri dari beberapa sel. Dengan sendirinya akan
berkomposisi sejumlah komponen kimia dalam pengertian yang bervariasi.” Jadi, dapat disimpulkan bahwa pengertian Thissen terhadap batubara adalah suatu benda padat organik yang mempunyai komposisi kimia yang sangat rumit
Speckman (1958) yang mendefinisikan batubara dari dua sudut pandang, yaitu dari pandangan ahli geologi dan ahli botani.“Batubara adalah suatu benda padat karbonan berkomposisi maseral. Dengan melihat definisi diatas, berarti pengertian batubara termasuk semua batubara dari semua derajat batubara (rank) yang diawali dari gambut, lignit, subtuminous, bituminous, semiantrasit, antrasit, metaantrasit, dan grafit.”

Dari keempat definisi yang telah diuraikan diatas, maka dapat diambil suatu kesimpulan bahwa batubara adalah batuan sedimen karbonan berkomposisi maseral yang mudah terbakar, terbentuk oleh akumulasi sisa-sisa tanaman bersama hasil dekomposisinya yang terawetkan dalam lingkungan bebas oksigen dan terkena pengaruh panas serta tekanan yang berlangsung lama sekali dan menjadi kaya akan unsur karbon dengan adanya proses diagenesis.

Proses Pembentukan Batubara

Sebelum membahas mengenai proses pembentukan batubara perlu kiranya dipahami dahulu proses pembentukan batubara,yakni :

1)      Prinsip Sedimentasi

Pada dasarnya batubara termasuk dalam batuan sedimen yang terbentuk dalam batuan sedimen yang terbentuk dari material atau partikel yang terendapkan di dalam suatu cekungan dalam kondisi tertentu, dan mengalami kompaksi serta transformasi baik secara fisis, kimia maupun biokimia. Pada saat pengendapannya, material ini selalu membentuk pelapisan yang horizontal, seperti terlihat pada gambar berikut :

2) Skala Waktu Geologi

Proses sedimentasi kompaksi maupun transformasi yang dialami oleh material dasar pembentuk sedimen sehingga menjadi batuan sediment berjalan selama jutaan tahun. Untuk dapat memahami lamanya kisaran waktu dari pembentukan batuan sedimen tersebut, maka dikenal suatu skala yang disebut dengan Skala Waktu Geologi.

Kedua konsep diatas merupakan bagian dari proses pembentukan Batubara(coalification).Proses pembentukan batubara mencakup proses sebagai berikut :
a) Pembusukan, yakni dimana tumbuhan mengalami proses pembusukan yang terjadi akibat adanya aktifitas dari bakteri anaerob (degradasi anaerob). Bakteri ini bekerja dalam suasana tanpa oksigen dengan menghancurkan bagian yang lunak dari tumbuhan seperti sellulosa, protoplasma, dan pati. Aktifitas mikrobiolgi dalam pembentukan batubara tergantung pada jumlah dan sirkulasi air, temperatur air, supplay oksigen, dan perkembangan racun (hasil sampling dari aktifitas mikrobiologi). Bila salah satu dari faktor tersebut tidak berimbang, maka aktifitas mikrobiologi tidak akan terjadi. Aktifitas mikrobiologi terutama jenis bakteri cenderung di permukaan, sedangkan fungi tidak dapat lagi lebih dalam dari 40 cm. Bila tanaman tertutupi oleh air dengan cepat, maka ia akan terhindar dari proses pembusukan. Disini yang terjadi adalah penguraian mikrobiologi. Bila tanaman cukup lama berada di daerah terbuka maka kecepatan pembentukan gambut akan berkurang.

b) Pengendapan,yakni proses dimana material halus hasil pembusukan terakumulasi dan mengendap membentuk lapisan gambut. Proses ini biasanya terjadi di lingkungan berair, misalnya rawa-rawa.
c) Dekomposisi, yakni proses dimana lapisan gambut tersebut diatas akan mengalami perubahan berdasarkan proses biokimia yang berakibat keluarnya air dan sebagian akan menghilang dalam bentuk karbon dioksida, karbon monoksida, metan. Proses inilah yang menyebabkan perubahan gambut menjadi batubara dalam berbagai derajat. Selama proses ini, terjadi penguraian air lembab, oksigen, dan zat terbang serta bertambahnya persentase karbon padat, sulfur, dan kandungan abunya. Proses dekomposisi tumbuhan menjadi lignit dapat digambarkan sebagai berikut :
6(C6H10O5) C20H22O4 + 3CH4 + 8H2O + 6CO2 + CO selulosa lignit metan

d) Geoteknik, dimana lapisan gambut yang ada akan terkompaksi oleh gaya tektonik, dan kemudian pada fase selanjutnya akan mengalami perlipatan dan patahan. Selain itu gaya tektonik aktif dapat menimbulkan adanya intrusi/terobosan dari magma, yang akan mengubah batubara low grade menjadi high grade. Dengan adanya tektonik setting tertentu, maka zona batubara yang terbentuk dapat berubah dari lingkungan air ke lingkungan darat.

e) Erosi, dimana lapisan batubara yang telah mengalami gaya tektonik berupa pengangkatan kemudian dierosi sehingga permukaan batubara yang ada menjadi terkelupas pada permukaannya, pelapisan batubara inilah yang dieksploitasi saat ini.

Beberapa Faktor yang Berpengaruh Terhadap Pembentukan Batubara
Dalam proses pembentukan batubara ada beberapa factor yang mempengaruhi dalam pembentukan batubara antara lain :

1) Material Dasar, yakni flora atau tumbuhan yang tumbuh beberapa juta tahun yang lalu, yang kemudian terakumulasi pada suatu lingkungan dan zona fisiografi dan iklim dan topografi tertentu. Jenis flora sangat berpengaruh terhadap tipe dari batubara yang terbentuk.

2) Lingkungan Pengendapan, yakni lingkungan pada saat sedimentasi dari material dasar menjadi material sedimen. Lingkungan pengendapan ini sendiri dapat ditinjau dari beberapa aspek sebagai berikut :

a) Struktur Cekungan Batubara, yakni posisi dimana material dasar diendapkan. Struktur cekungan batubara ini sangat berpengaruh pada kondisi dan posisi geoteknik.
b) Topografi dan Morfologi, yakni bentuk dan kenampakan dari tempat cekungan pengendapan material dasar. Topografi dan morfologi cekungan pada saat pengendapan sangat penting karena menentukan penyebaran rawa-rawa dimana batubara terbentuk. Topografi dan morfologi dapat dipengaruhi oleh proses geoteknik.
c) Iklim, temperatur dan tekanan memegang peranan penting dalam proses terbentuknya batubara, dimana berkaitan dengan proses kecepatan pertumbuhan tanaman, jenis kehidupan tanaman dan kecepatan pembusukan. Batubara yang diendapkan pada tempat-tempat yang beriklim sedang dan tropis, umumnya dicirikan dengan ditemukannya lapisan-lapisan tipis cemerlang (vitrinit) yang berasal dari bahan kayu. Sedangkan lapisan batubara yang terbentuk dalam iklim dingin, umumnya lapisan batubaranya tipis dan berfrgmen. Iklim panas dan basah merupakan kondisi yang paling cocok dalam pembentukan gambut, tetapi iklim sedang dengan kelembaban tetap juga merupakan kondisi yang baik dalam proses pembentukan batubara.
d) Kelembaban juga mempunyai peranan yang sama penting dengan temperatur didalam pembentukan batubara karena batubara umumnya terbentuk pada kondisi rawa-rawa.
3) Proses Dekomposisi, yakni proses transformasi biokimia dari material dasar pembentukan batubara menjadi batubara. Dalam proses ini, sisa tumbuhan yang terendapkan mengalami perubahan baik secara fisis maupun kimiawi.
4) Umur Geologi, yakni skala waktu (dalam jutaan tahun) yang menyatakan berapa lama material dasar yang diendapkan mengalami transformasi. Untuk material yang diendapkan dalam skala waktu geologi yang panjang, maka proses dekomposisi yang terjadi adalah fase lanjut yang menghasilkan batubara dengan kandungan karbon yang tinggi.
5) Posisi Geoteknik, faktor-faktor yang mempengaruhi proses pembentukan batubara adalah:
a) Tekanan, yang dihasilkan oleh proses geoteknik, dan menekan lapisan batubara yang terbentuk.

b) Struktur dari lapisan batubara tersebut, yakni bentuk cekungan stabil, lipatan dan patahan.
c) Intrusi magma, yang akan mempengaruhi dan atau mengubah grade dari lapisan batubara yang dihasilkan.

6) Evolusi Tanaman, berhubungan erat dengan jenis gambut yang dihasilkan. Perkembangan evolusi tanaman terasa penting pengaruhnya pada formasi batubara. Jenis tanaman pada umur karbon tua lebih sedikit jika dibandingkan dengan jenis tanaman yang lebih muda, begitu juga dengan komposisi kimianya sehingga akan menghasilkan batubara yang berbeda pula, misalnya tissue tanaman bumbu yang berumur tersier lebih peka terhadap proses pembusukan sehingga batubara yang dihasilkan akan lebih kaya akan komponen berminyak dan resin. Batubara yang berumur tersier akan berbeda dengan batubara yang berumur paleosoik, karena jenis tanaman pembentuknya berbeda.

Sifat-Sifat Fisik & Kimia Batubara

1)      Sifat Fisik

Sifat fisik batubara tergantung kepada unsur kimia yang membentuk batubara tersebut, semua fisik yang dikemukakan dibawah ini mempunyai hubungan erat satu sama lain.

a) Berat jenis

Berat jenis (specific gravity) batubara berkisar dari 1,25g/cm3 sampai 1,70 g/cm3, pertambahannya sesuai dengan peningkatan derajat batubaranya. Tetapi berat jenis batubara turun sedikit dari lignit (1,5g/cm3) sampai batubara bituminous (1,25g/cm3), kemudian naik lagi menjadi 1,5g/cm3 untuk antrasit sampai grafit (2,2g/cm3). Berat jenis batubara juga sangat bergantung pada jumlah dan jenis mineral yang dikandung abu dan juga kekompakan porositasnya. Kandungan karbon juga akan mempengaruhi kualitas batubara dalam penggunaan. Batubara jenis yang rendah menyebabkan sifat pembakaran yang baik.
b) Kekerasan

Kekerasan batubara berkaitan dengan struktur batubara yang ada. Keras atau lemahnya batubara juga terkandung pada komposisi dan jenis batubaranya. Uji kekerasan batubara dapat dilakukan dengan mesin Hardgrove Grindibility Index (HGI). Nilai HGI menunjukan niali kekersan batubara. Nilai HGI berbanding terbalik dengan kekerasan batubara. Semakin tinggi nilai HGI , maka batubara tersebut semakin lunak. Dan sebaliknya, jika nilai HGI batubara tersebut semakin rendah maka batubara tersebut semakin keras.

c) Warna

Warna batubara bervariasi mulai dari berwarna coklat pada lignit sampai warna hitam legam pada antrasit. Warna variasi litotipe (batubara yang kaya akan vitrain) umumnya berwarna cerah.

d) Goresan

Goresan batubara warnanya berkisar antara terang sampai coklat tua. Pada lignit, mempunyai goresan hitam keabu-abuan, batubara berbitumin mempunyai warna goresan hitam, batubara cannel mempunyai warna goresan dari coklat sampai hitam legam.

e) Pecahan

Pecahan dari batubara memperlihatkan bentuk dari potongan batubara dalam sifat memecahnya. Ini dapat pula memeperlihatkan sifat dan mutu dari suatu batubara. Antrasit dan batubara cannel mempunyai pecahan konkoidal. Batubara dengan zat terbang tinggi, cenderung memecah dalam bentuk persegi, balok atau kubus.
2) Sifat Kimia

Sifat kimia dari batubara sangat berhubungan langsung dengan senyawa penyusun dari batubara tersebut, baik senyawa organik ataupun senyawa anorganik. Sifat kimia dari batubara dapat digambarkan sebagai berikut :

a) Karbon

Jumlah karbon yang terdapat dalam batubara bertambah sesuai dengan peningkatan derajat batubaranya. Kenaikan derajatnya dari 60% sampai 100%. Persentase akan lebih kecil daripada lignit dan menjadi besar pada antrasit dan hamper 100% dalam grafit. Unsur karbon dalam batubara sangat penting peranannya sebagai penyebab panas. Karbon dalam batubara tidak berada dalam unsurnya tetapi dalam bentuk senyawa. Hal ini ditunjukkan dengan jumlah karbon yang besar yang dipisahkan dalam bentuk zat terbang.

b) Hidrogen

Hidrogen yang terdapat dalam batubara berangsur-angsur habis akibat evolusi metan. Kandungan hidrogen dalam liginit berkisar antara 5%, 6% dan 4.5% dalam batubara berbitumin serta sekitar 3% smpai 3,5% dalam antrasit.
c) Oksigen

Oksigen yang terdapat dalam batubara merupakan oksigen yang tidak reaktif. Sebagaimana dengan hidrogen kandungan oksigen akan berkurang selam evolusi atau pembentukan air dan karbondioksida. Kandungan oksigen dalam lignit sekitar 20% atau lebih, dalam batubara berbitumin sekitar 4% sampai 10% dan sekitar 1,5% sampai 2% dalam batubara antrasit.

d) Nitrogen

Nitrogen yang terdapat dalam batubara berupa senyawa organik yang terbentuk sepenuhnya dari protein bahan tanaman asalnya jumlahnya sekitar 0,55% sampai 3%. Batubara berbitumin biasanya mengandung lebih banyak nitrogen daripada lignit dan antrasit.

e) Sulfur

Sulfur dalam batubara biasanya dalam jumlah yang sangat kecil dan kemungkinan berasal dari pembentuk dan diperkaya oleh bakteri sulfur. Sulfur dalam batubara biasanya kurang dari 4%, tetapi dalam beberapa hal sulfurnya bisa mempunyai konsentrasi yang tinggi. Sulfur terdapat dalam tiga bentuk, yaitu :

• Sulfur Piritik (piritic Sulfur)

Sulfur Piritik biasanya berjumlah sekitar 20% - 80% dari total sulfur yang terdapat dalam makrodeposit (lensa, urat, kekar, dan bola) dan mikrodeposit (partikel halus yang menyebar).
• Sulfur Organik

Sulfur Organik biasanya berjumlah sekitar 20% - 80% dari total sulfur, biasanya berasosiasi dengan konsentrasi sulfat selama pertumbuhan endapan.
• Sulfat Sulfur

Sulfat terutama berupa kalsium dan besi, jumlahnya relatif kecil dari seluruh jumlah sulfurnya.

Komposisi Batubara

Batubara adalah senyawa hidrokarbon padat yang terdapat dialam dengan komposisi yang cukup kompleks. Batubara yang merupakan bahan bakar, umumnya tersusun atas unsure-unsur karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, belerang dan fosfor serat unsur-unsur lainnya dalam jumlah yang sangat kecil. Pada dasarnya terdapat dua jenis material yang membentuk batubara, yaitu :
1) Combustible Matter atau Bahan Dapat Terbakar (BDT)
Bahan Dapat Terbakar yaitu material atau bahan yang dapat dioksidasi oleh oksigen akan menghasilkan kalor. Material dasar tersebut umumnya terdiri dari :

• Karbon Padat (Fixed Carbon)

• Senyawa Hidrokarbon

• Senyawa Sulfur

• Senyawa Nitrogen, serta beberapa senyawa lainnya dalam jumlah yang kecil.
2) Non Combustible Matter atau Bahan yang Tidak Dapat Tebakar (non-BDT)
Bahan yang Tidak Dapat Terbakar yaitu bahan atau mineral yang tidak dapat dibakar/dioksidasi oleh oksigen. Material/bahan tersebut umumnya adalah senyawa anorganik (SiO2, Al2O3, TiO2, Mn3O4, CaO, MgO, Na2O, K2O, dan senyawa-senyawa logam lainnya dalam jumlah kecil yang akan membentuk abu dalam batubara. Bahan yang tidak dapat terbakar ini umumnya tidak diinginkan keberadaannya karena akan mengurangi nilai bakarnya.

Rank dan Klasifikasi Batubara

Ditinjau dari beberapa senyawa dan unsur yang terbentuk pada saat proses coalification, maka secara umum dikenal beberapa rank batubara yaitu :
1) Peat/gambut, Tahap pertama terjadinya batubara dimana suatu produk masih masih dalam tahap awal pembusukan. Disini sisa-sisa tanaman tidak benar-benar membusuk dam memadat dan masih dalam tahap awal kualifikasi belim terbentuk batubara sreta terdapaynya selulosa bebas. Bahan ini terbentuk dari dekomposisi dan disintegrasi tanaman graminae (seperti bambu, tebu, dan alang-alang) oleh tekanan air dalam rawa. Kandungan abunya tergantung pada lumpur rawa. Bahan ini bersifat hidroskopis dan memiliki ciri sebagai berikut :
a) Warna cokelat, material belum terkompaksi.

b) Mempunyai kandungan air yang sangat tinggi.

c) Mempunyai kandungan karbon padat yang sangat rendah.

d) Mempunyai kandungan karbon terbang yang sangat tinggi.

e) Nilai panas yang dihasilkan sangat rendah.

2) Brown Coal, merupakan tahap kualifikasi antara peat dan batubara tingkat rendah dari suatu kandungan alam yang paling lembut dan mengandung air yang tinggi.
3) Lignit, Istilah Amerika untuk batubara tingkat rendah yang mengandung gross calorific value dmmf kurang dari 19.3 ml/kg (ASTM-D338) serta memilki kandungan batubara dan volatile yang tinggi. Disini Lignit dibagi menjadi lignit coklat dan brown coal. Bahan ini terbentuk dari tumbuhan yang mengalami karbonisasi di bawah lapisan tanah dalam jangka waktu yang lama. Kadar N, O, S tinggi. Lignit memiliki ciri-ciri sebagai berikut :
a) Warna kecoklatan,material terkompaksi namun sangat rapuh.

b) Mempunyai kandungan air yang tinggi.

c) Mempunyai kandungan karbon padat yang rendah.

d) Mempunyai kandungan karbon terbang yang tinggi.

e) Nilai panas yang dihasikan rendah.

4) Subbituminous-Bituminous, Yaitu terletak antara brown coal dan sub bituminous dengan cirri-ciri kandungan air sangat masuk dalam golongan hard coal dan tingkat rendah masuk dalam bagian lignit dan brown coal. Bahan ini telah mengalami karbonisasi. Biasanya dipakai pada steam power plant. Subbituminous-Bituminous memiliki ciri-ciri sebagai berikut :
a) Warna hitam, material sudah terkompaksi.

b) Mempunyai kandungan air yang sedang.

c) Mempunyai kandungan karbon padat sedang.

d) Mempunyai kandungan karbon terbang sedang.

e) Nilai panas yang dihasilkan sedang.

5) Bituminus, Suatu gambaran istilah umum dari batubara yang beragam dalam tingkatan dari sub bituminus sampai antrasit, termasuk coking coal.
6) Antrasit, merupakan batubara yang terjadi pada umur geologi yang paling tua. Antrasit memiliki struktur yang kompak, berat jenis yang tinggi dan mudah ditepung. Kalau dibakar hampir seluruhnya habis terbakar tanpa timbul nyala. Antrasit memiliki ciri-ciri sebagai berikut :
a) Warna hitam mengkilap, material terkompaksi dengan kuat.

b) Mempunyai kandungan air rendah.

c) Mempunyai kandungan karbon padat tinggi.

d) Mempunyai kandungan karbon terbang rendah.

e) Nilai panas yang dihasilkan tinggi.

Manfaat Batubara

Penggunaan berbagai jenis batubara diteneukan oleh sifat fisika dan kimia dan didasarkan pada pertimbangan ekonomi. Pemanfaatan batubara tergantung dari jenis batubaranya misalnya :

1)      Steaming Coal

Kegunaan utamanya adalah pada pembangkit tenaga listrik. Hampir semua batubara secara teknis cocok untuk tujuan ini, batubara ini lebih mudah dan tidak memiliki penerapan khusus lain.

2) Coking Coal

Kegunaan kedua yang paling penting dari batubara adalah pada pabrik besi dan baja. Coking Coal cukup langka disebabkan oleh kebutuhan untuk memenuhi beberapa criteria fisik dan kimia, khususnya kemampuan batubara tersebut mengembangkan dan meleh menjadi coke yang baik apabila dipanaskan. Oleh karena itu batubara tersebut cenderung mempunyai harga yang lebih tinggi daripada batubara yang dipakai untuk menghasilkan uap pada pembangkit tenaga listrik.

3.         Kegunaan Lain

Kira-kira 66% batubara yang dihasilkan digunakan untuk pembangkit tenaga listrik, 23% digunakan pada industri besi dan baja dan sisanya digunakan pada pabrik semen, pabrik ubin dan batubara dan sebagai sumber kimia.